核废料深度存储方法

传统观点认为，核废料应该在地下几百米以内的深层地质储存库中处理。石油和天然气行业率先采用并现已掌握的深层定向钻井技术是一种替代解决方案。

1、深层地质储存库

核废料处理提案的现状

核能可能是新的绿色能源，除了一个相当大的问题。

核工业正在努力消除其有毒废物。正如最近所说，“深层地质储存库(DGR)是全球首选的、经科学验证的储存高放废物的解决方案”。

然而，这取决于你如何定义“深度”。

目前的DGR储存点确实理解有误，目前计划位于地面以下60米至800米的地方。

就高放核废料而言，这个尺度是完全不够的。要想真正有效，DGR储存点必须深得多。

自20世纪70年代以来，一些国家一直在寻求管理核废料的处置方式。

尽管做出了这些努力，但核废料仍然不断累积，看不到实质性的解决方案。

然而，今天有另一种解决方案——在地表以下3000米或以上的封闭地质地层中，钻探深层水平井道处理系统。

2、技术发展

德国的下萨克森州的Gorleben，一个位于前盐矿的放射性废料场

事实上，目前所有的“深层”储存库计划或工作都是近地表储存，旨在浅地表隧道或矿山中处理高放废物。许多都很浅，实际上都在现有的地下水位中。

尽管自20世纪90年代末以来，替代解决方案已经出现并为人所知，但负责当前设计的机构似乎完全致力于盲目相互效仿，在几十年的时间里，每个机构都花费了数十亿美元开发“一次性”DGR系统。

在这样的系统中，发现的缺陷或错误都将意味着彻底的损失，所有的时间和金钱投入都将打水漂。

由于投入的时间和金钱并不短缺，缺少的是创新。

自40多年前在美国建立尤卡山储存库以来，废物技术没有任何变化——一个关闭的地点，恰当地象征着当前DGR的“解决方案”

正如尤卡山所面临的长期问题那样，近地表储存库的价值可能值得怀疑。

开发商预计，通过安装膨润土“回填物”或钛“雨伞”，这些附加组件可以保证一定的保护寿命，所有这些都要付出极端的成本和风险。

然而，任何暴露在水中的人造保护装置都无法在必要的时间内承受腐蚀。

幸运的是，一种替代的解决方案已经存在：在深水平井道中进行处理，在3000米深以下的固体岩石区进行钻探和完成。

这是一个更好的解决方案，原因有很多。

封闭地质构造中的深层水平处置库，远低于任何已知的地下水位。

这种处置行动在今天也是可能的。而且它的价格要便宜得多。由于这些原因，它是目前近表面DGR系统的一种优越的替代方案。

3、深层水平井道-内置冗余

SuperLATTM系统与尤卡山相比。

首先，井道储存系统垂直向下，钻至地表以下至少3000米(10,000英尺)，比现有的DGR系统深得多。

接下来，将井道转向，横向水平延伸至少5000米。

然后，可以将横向截面扩孔至所需的井道直径。如图2所示，这种创新的钻井操作提供了一个连续的封闭通道路径，内表面设置多个耐用的钢套管，这些钢套管外部衬有坚固的水泥环空。

虽然该设计是一种新颖的应用，但它是对已使用多年的油田井下工具的改进。

这种工程方法是该行业的核心，仅在美国，该行业每年钻探的水平井筒就超过61,000,000米。强大、可靠、快速且易于复制。

现有的钻机系统具有必要的机械能力和操作通用性，可以在地表以下3,000米处钻取大直径水平井筒，而钻机的提升能力超过450吨自重。

这种设备是标准式的，目前在世界各地都在使用和钻探。

目前可以实际地钻探所需类型的高放废物水平井道。在石油和天然气勘探中，有数千个水平井筒使用多种井下工具、生产设备和完井系统。

如果需要，可以对高放废物进行解构和重建，使其以被认为最有效的尺寸安装到圆柱体中，并且可以对井筒进行设计以配合。

作为一种在短时间内，以相对较低的成本建设深层地质存储库的方式，它与目前的方法形成了鲜明对比。

此外，存在大量的技术知识基础，有经验丰富的技术服务公司可以支持实施。

水平井道还衬有多个钢套管，并被精心设计的水泥基质包围。这提供了另一个安全层，除了如图2所示的不透水岩石储存库地层的自然保护之外。

圆柱形废物胶囊可以从地面自动插入，穿过垂直段，然后安全地“降落”在水平井道中。将胶囊水平放置在井筒中，可以消除垂直堆叠时产生的任何额外重量。

里面的单个废物胶囊被密封在一个液压封闭的岩石区内，位于生态圈下方数千米处。将胶囊安全地储存在储存库中后，可以对垂直井筒进行密封。

地下数千米处40千吨级核爆炸现场的露天广场

如图4所示，在美国科罗拉多州，一枚40,000吨的原子弹在2500多米(8000英尺)的地下成功引爆，以刺激(压裂)深层含气页岩地层。

在深层水平储存库系统永久关闭后，类似的表面标记将是唯一可见的提醒——成吨的核废料埋在地表以下数千米处。

还需要对现场几英里范围内的侵入性钻井发出额外警告。将废物储存得如此之深，也会使不良行为者几乎不可能进行任何危险工作。

4、保护地下水

Deep Isolation处理核燃料和高水平废物的概念(图片：Deep Isolation)

即使在几十年没有取得任何重大进展或成功之后，各集团仍继续相互效仿，在地下水位或地下水位附近的近地表废物库中挖掘和开发采矿系统。

地质学家无一例外地认为，这些近地表岩石是有裂缝和断裂的——这是自然界的事实。

这些裂缝的存在允许流体迁移。最近的许多研究得出结论，地表雨水可能在不到50年的时间内到达这些储存层，从而给储存的胶囊带来腐蚀问题。

这已经通过对迁移的地表雨水的分析得到了技术上的证实。

例如，氯-36是一种氯放射性核素，以一定的稳定和可预测的浓度存在于雨水中。

它可以测量水的“年龄”，可以说是水的“指纹”。

氯-36存在于所有流入近地表矿山和隧道的雨水中。在这些近地表系统中，这种同位素在水中的存在是一种闪烁的红光。

在名义上被称为“现代水”的水中发现的氯-36比例升高，是由20世纪50年代在大气中进行原子弹试验引发的爆炸引起的。

这些高频发现在1950年代之前并不存在。这表明，在近地表高放废物处理系统中，“现代水”已向下进入这些处理区。

对渗透到近地表间隙水中的氯-36的详尽分析表明，地表水继续向下迁移，到达任何储存的高放废物材料。

储存在储存库中的高放废物材料，可以会不可避免地发生化学、物理和电解降解，而不考虑任何后续的人工保护系统，如钛伞板。

必须在深地层中安全处理高水平废物，以防止地质时期任何可能的向下流体渗流，导致有害和灾难性影响。

在高放废物储存所需的特殊时间内，水范围内的任何人为保护措施都无法永久维持。

捷克政府寻求在欧盟2050年的最后期限前完成旧核燃料深层地质储存库的运营。

近地表采矿技术的支持者表示，他们解决水迁移问题的方法是使用钛“伞”，后续安装以保护胶囊，还使用膨润土材料作为储存库“回填物”，“膨胀”以缓解胶囊区的流体流动。

很难看出这些措施如何能够在至少10,000年内保持所需的安全水平，远低于安全废物处理所需的地质时间尺度。

更好的解决方案是，在没有流体流入或流出系统的地方，设计和实现一个深层储存库。

这样的系统必须位于大规模不可渗透的岩石区内，深度足够大，地表水不会向下迁移。

这是选择深层水平井道储存的关键基础。

此外，我们还可以从正在进行的油田压裂作业中学到很多东西，这些作业深入了解了岩石允许流体迁移的能力。

深层水力压裂区的“紧密”性质意味着，它们最初是非生产性的。

为了让流体进入这些区域，工程师必须使用超高压泵，表面压力高达19,800磅/平方英寸。

如果没有这些极高的压力，就没有流体流入岩石基质。

从所需的巨大压力可以推断出，由于渗透率极低，储存库岩石的流量非常小。

因此，在这些非常致密的岩石区域中使用深层水平井道最适合安全的核废物处理。

5、成熟的经验

水平井道中的核废料舱

仍有许多人对深层水平井道方法持怀疑态度。

虽然这种水平井道系统以前确实没有做过，但地球上也从未实施过DGR。

今天世界各地有几十万个成功的水平井道在运行。

我们应该问，为什么几十年来，数十亿美元浪费在了DGR的持续研究上，但一直没有成功，为什么我们还没有找到更好的解决方案?

矿山和隧道是更好的储存库来源，这是一个神话，因为你可以“看到、感觉和监测”岩石表面。

面对石油和天然气行业开发的大量石油物理和勘探分析技术和系统的经验，这种错误的、陈旧的想法完全公然地存在。

该行业使用极其先进的井下工具和复杂的人工智能计算系统。这些工具使科学家、工程师和研究人员能够深入观察并科学地检查井筒内和周围的长距离岩石。

它们精确的提供2D、3D和有时4D的岩石和流体数据。

这一分析，允许在不亲自“观察”地表下数千米的岩石表面的情况下，做出价值数十亿美元的勘探决定。这些分析系统十分有用。

需要强调的是，废物胶囊不应被视为废物的最终保护器，而是一个10,000年的容器装置，其主要目的是在地表安全处理废物，并将其安全运输到深层地质储存库。

废物的最终保护者是不透水的岩石。岩石的固有特性、尺寸、深度和低渗透性是实际的长期保护系统。

6、投资小，高回报

深层定向钻井是石油和天然气行业的标准技术

大规模近地表作业不是核废料处理的最佳解决方案，甚至不是合适的解决方案，原因有很多。

这些作业需要数千名地面工人，以及数百名地下个人，这些还需要配套设置安全、通风、运输和逃生系统。

这些大型且人员配备齐全的“采矿”型作业成本高昂、危险、效率低下且周期漫长。

此外，这种复杂的操作容易出现灾难性的人为错误，可能会使项目停止运行。

美国能源部位于新墨西哥州的WIPP设施最近发生了一次近地表处置作业中的“事故”。风井故障和放射性泄漏问题导致运营中断多年，需要花费数十亿美元进行修复。

相反，SuperLATTM技术允许在单个深层水平井道中处理数千吨高水平废物胶囊。

它在深层不透水岩层中形成了一个安全的深层废物储存库。

圆柱形胶囊形式的废物可以快速方便地放置在这些深仓库中，只需几个月就可以钻孔。

一旦小型模块化反应堆(SMR)产生的废物在冷却池中充分冷却，这些储存库就可以安全处理这些废物。

SuperLATTM系统不仅明显不易出现人为错误，而且与现有的DGR操作相比，解决任何问题和重新启动的资源都很小。

它强大、开发良好，而且目前可用，成本为数百万，而不是数十亿。

一个典型的SuperLATTM操作，可能需要不到30名工人在地面上钻探、装载和处理超过100万磅的封装废物，成本不到5000万美元，并且可以在不到六个月的时间内实施储存库。

非常非常深的处置库为当今的高水平废物问题提供了及时的解决方案，它们应该成为振兴全球核电行业的基础。

有了这样一种可靠且经验证的传统方法替代方案，现在是时候重新考虑高水平的废物处理了。

7、获取可行性研究数据

Deep Isolation 2019年的钻孔概念演示(图片：Deep Isolate)

一些研究人员最近表示，该行业应该通过研究一项新的深井高放废物(HLW)处理计划来“启动”一场全国对话。

他们建议钻一口井进行地质和岩石物理分析。他们希望量化所选场地在高放废物处理方面的技术适用性。

首先，利用一口测试井提供关于深层适合高放废物处理的信息，适用性的最小且统计上不可靠。

大规模、详细的分析必须是区域性的，才能获得可用的定量地层数据。单个井筒是一种代价高昂的资金滥用，因为它提供的数据很少，难以可以作为数十亿美元决策的基础。

其次，更重要的是，研究人员没有意识到已经存在大量的地质数据。不需要钻一个新的井道来获得它。

例如，仅在美国，就有超过37个州的岩心库，可以在那里进行岩心样本的检查和分析。

这些岩心是从钻孔中收集的，代表了数百种不同岩层中数千口井的钻井数据。

为了检测相关岩层的情况，仅北达科他州岩心库就有超过304,800米(1000000’)的岩心样本。

在得克萨斯州和其他州，用于深层地层分析的真实岩心数据的可用性甚至更大，而且几乎可以免费获得。

由于已经钻探了数千口井，深井道的可行性以及在哪里最安全、最有效地钻探的证据已经存在。

商业核心图书馆是另一个现成的信息来源。

这些私人综合图书馆维护良好，及时更新换代，由大型和小型勘探公司供私人使用。

高放废物行业可以以相对较低的成本利用这些资产，而且比仅用于提取样本的钻井成本要低得多。