钚问题不会消失

2021年底，英国关闭了部分核废料遗产，并朝着更持久的遗产迈出了几步。上世纪90年代，英国斥资90亿英镑建造了一座后处理工厂，将英国和世界各地的压水堆产生的废弃钚重新包装，用于制造新燃料。最后，该工厂将德国、意大利和日本仅存的液体残渣转化为玻璃，并装入钢容器。按照合同规定，反应堆所有者有义务将这些废料运回核电站，而将这些废料和其他所有属于反应堆所有者的废料运回核电站还需要6年时间。

即使外国拥有的核废料已经运回英国，英国仍将拥有世界上最大的钚储备之一，储量超过110吨。这相当于世界总量的五分之一，以及全球民用储备316吨的三分之一。尽管英国的核武库规模小于法国，但其钚储量却是法国的1.5倍。

我们本不该以这种方式结束。长期的梦想是，能够裂变的燃料能够持续循环，只有在必要时才添加原始铀。在适当的条件下，裂变过程中产生的钚本身可以维持进一步的裂变。然而，关闭循环所需的快中子增殖反应堆在很大程度上仍处于实验阶段，即使在俄罗斯等国家，它们的发展仍在继续。由于安全问题和核扩散的担忧，更容易获得分离和精炼的钚-239，西方在几十年前就放弃了快中子增殖计划。

将乏燃料再加工成所谓的混合氧化物燃料是可能的，但它只适用于常规反应堆的一次用途。其他锕系元素积聚起来，开始破坏裂变过程。改变的唯一希望在于所谓的第四代反应堆，但这些设计尚未经过测试，可能继续与扩散担忧相冲突。

当世界各地的运营商都在考虑燃料重复使用的可行性时，尽管在一些国家，加工和再加工燃料的容器被指定深埋几十年，但它们都在水冷却的储存罐中徘徊。20世纪80年代末，美国能源部(DoE)将内华达州的尤卡山(Yucca Mountain)定为该国乏燃料的唯一目的地，并计划在10年后开放。到2005年，最早的开放日期推迟了20年。它仍然没有被打开，可能永远也不会被打开。在此期间，大部分燃料滞留在充水的冷却箱中，而政客们则在考虑更本地化的深层储存地点。

福岛事件给核电行业敲响了警钟，不仅仅是关于控制反应堆的问题，还有它们的乏燃料。海啸发生后，工程师们担心，如果没有补充泵，乏燃料储存罐中的水会蒸发。如果燃料着火，可能会向大气中释放放射性氚和铯。幸运的是，水漏进了受损的池塘。现在，一些老旧反应堆的操作人员面临的问题是，燃料罐只是被腐蚀到水中。

普林斯顿大学公共和国际事务教授弗兰克·冯·希佩尔等专家建议，只有在燃料冷却到足以转化为玻璃、浸泡在混凝土中或两者同时进行时，才能使用储存池，并转移到干储存中，最好是在深层地质处置设施(GDF)中。

在去年11月由国际原子能机构(IAEA)组织的一次会议上，加拿大核废料管理组织总裁兼首席执行官劳里·斯瓦米(Laurie Swami)声称，“对于高放射性废料的深层地质储存库的有效性，科学界已经达成共识”。

15年前，英国也制定了一项计划，为高放射性废物建立自己的GDF，同时建立一个政府所有的机构，负责管理废物的去向，即核退役管理局(NDA)。GDF在2021年底向前迈出了一小步，当时宣布了两个候选地点，都靠近坎布里亚海岸。当地社区原则上同意，NDA可以调查他们在哪里适合建造一组可能延伸到爱尔兰海下的隧道。由于该项目处于如此早期的阶段，该国还需要数年时间才能开设GDF。相比之下，芬兰一直在努力，预计其GDF将在2025年开业，而瑞典很可能拥有世界上第二个GDF。

与此同时，还有大量其他辐照物质无法经济地储存起来。NDA综合废物管理部门负责人詹姆斯·麦金尼在国际原子能机构会议上发表主旨演讲时解释说，许多放射性废物是受污染的建筑材料。坎布里亚郡德里格的低水平废物储存库就是为这类废物而设计的，但麦金尼强调，容量是“宝贵的”，如果所有的材料都被带到那里，就有耗尽的危险。在过去的十年里，NDA及其分包商一直在努力通过再加工和重新包装来尽可能多地转移Drigg现场的废物。

通过将废物管理纳入一个保护伞下，而不是将其分配给发电厂运营商，NDA已经能够改变采购策略，支持使用更多的研发来处理废物。麦金尼补充说:“放射性废物的目的地可以通过干预措施来改变。”“目前，我们估计大约95%的潜在低水平废物正在从德里格转移。12年前，情况正好相反。”

最近的一个例子是拆除曾经安装在哈维尔研究中心的管道。1500多段金属管道被交付给石油和天然气专家奥吉安公司，该公司使用高压水射流去除放射性水垢，这样金属就可以回收，而不需要长期储存。

将不易管理的废物从储存罐中移走是另一个重大挑战，特别是如果这些废物来自最老的反应堆。例如，在英国，当废镁诺克斯燃料从反应堆中取出时，周围的镁包层被剥离，并转移到塞拉菲尔德的镁诺克斯Swarf存储筒仓(MSSS)。尽管这些铁屑本身只是中等水平的废料，塞拉菲尔德的运营商认为，清空筒仓，准备转移到长期干储存是现场更危险的项目之一。储存在水下以保持冷却，这些包裹的剥皮会逐渐腐蚀并释放氢气和污染物，这些气体和污染物会逃逸到地下。把垃圾转移到别处进行处理本身就会导致更多的垃圾逃逸。

为了将1.1万立方米的废料从mss的22个隔间中运出，他们花了20多年的时间，设计、建造和安装了三个屏蔽外壳中的两个和抓取臂，这些设备可以举起碎片，并准备将其固定在混凝土或玻璃中。

甚至开始清理mss所花费的时间，都说明了退役和清理计划面临的核心问题:在这些结构最初建造和填充时从未考虑过的情况下，试图处理即使是中等放射性物质也非常困难。这种退役的所有东西都需要笨拙的远程操纵器，因为没有其他方法来保护清理人员。

2011年3月，当工程师们努力应对福岛核灾难时，许多日本人也有同样的想法，并对一个在机器人研究上投入如此之多的国家竟然没有一个机器人可以派到反应堆里进行调查表示惊讶。

日本并不是唯一有这个问题的国家:没有一个国家拥有专门的核事故反应机器人。关于机器人的研究开始于几十年前，但在大多数情况下只是断断续续。1999年，在东海村(tokaiura)的一个实验反应堆发生严重事故后，日本经济产业省(Ministry of Economy, Trade and Industry)拨出3600万美元研发遥控设备。但这些项目在几年内就结束了。

为了帮助处理福岛核电站的紧迫问题，美国研究机构DARPA迅速改变了其拥有的军用和救灾机器人的用途，最初计划将它们派上横跨太平洋的海军舰艇。但人们很快发现，这样做的速度太慢了。

在10日由国际机器人研究联合会组织的一次会议上^th丰田研究中心首席科学家吉尔·普拉特在事故一周年之际表示，第一批机器人“是在商业航班的头顶行李中到达那里的”。对他们所有人来说，这都是一场烈火的洗礼。

狭窄的楼梯和碎石变成了一些人无法逾越的障碍。那些在关键传感器和存储器遭受过多辐射损伤后进一步失败的芯片。最后，由千叶工业学院开发的一些设备能够探索2号反应堆的上层。研究人员设计了他们的Quince，使其在钴-60源下工作长达5小时，平均每小时产生40个灰色的剂量。

直接辐射损伤并不是福岛核电站机器人面临的唯一问题。反应堆被厚厚的混凝土墙保护着。无线信号进进出出逐渐消失，光纤电缆在受损建筑的杂乱空间中成为一个障碍。为了离机器足够近，操作人员必须穿上笨重的防护服，这使得远程操作比在其他环境中困难得多。几个机器人进入大楼却失败并被困住，成为其他机器的障碍。

核工业长期以来一直抵制使用机器人进行维修和退役，正是因为存在这类故障的风险。工厂操作人员继续青睐由人操作的机械操作器，用防护服和厚厚的含铅玻璃隔开。

自福岛核事故以来，核工业对机器人的态度发生了变化，但远程控制仍然是主要策略。普拉特说，在许多旧的、有时损坏的设施中，人类通常仍然更善于控制和处理非结构化的环境。

这些系统的长期目标是随着时间的推移为机器人提供更大程度的自主权。例如，无人侦察机将在操作员的监督下飞行，但这些机器正在获取更多的情报，以使它们能够避开障碍物，因此它们只需要对更简单、高级的命令做出反应。这可以克服间歇性通信带来的问题之一。这种方法的一个例子是，总部位于英国的Createc Robotics最近在切尔诺贝利和福岛部署了一架无人机，选择在后者调查部分倒塌的涡轮大厅，以测试其半自主测绘技术。

为了让更多机器人在英国投入使用，英国国家机器人协会(NDA)将采购重点更多地放在大学和规模较小的专业公司上，其中一些公司正在采用来自石油和天然气行业的技术。

NDA预计，开发有效的机器人退役和处理技术将需要多年时间。它制定了一个广泛的路线图，目前延伸到2040年。辐射敏感性仍然是一个问题。视觉传感器极易受到电离辐射的损害。然而，智能控制系统和冗余的结合应该至少可以让机器人在出现故障迹象时移动到安全地点进行修复。

英国和日本都在追求的另一种设计策略是，把机器人打造成移动的智能瑞士军刀:装备有各种可拆卸的肢体和子系统，这样它们就能适应各种环境，甚至可能对自己进行一些实时修复。

慢慢地，这项技术似乎可以处理垃圾，至少可以在很长一段时间内让垃圾远离危害，尽管你可能会想，为什么这个过程花了几十年才发展到这个阶段。＊

深埋似乎是处理长期存在的废物最简单的方法，假设在未来数百年或数千年，没有人试图在没有严密保护和善意的情况下将其挖出来。但是，如果存储库意外泄露，它有多安全这个问题很难回答。

钚不太可能是最大的问题。尽管它很容易氧化并溶于水，但根据SKB的分析，如锶-90和铯-137等短寿命裂变产物，如果它们逃离了储存场地的限制，可能会带来更大的麻烦，这是瑞典在那里建造一个深埋场计划的一部分。

这些同位素的半衰期比钚短得多，因此它们的风险在几百年后就会消退，而不是钚的数千年。但如果它们可以缩短到几天甚至几秒呢?在废物被重新包装之前，任何辐射都可以被控制或利用。

这就是激光嬗变技术的前景。激光嬗变技术使用高能光束取代供体原子中的中子，然后幸运地撞击那些不稳定的同位素，产生更不稳定的原子，这些原子会迅速衰变。在卢瑟福-阿普尔顿实验室(Rutherford-Appleton Laboratory)进行的一项实验中，激光将半衰期为数百万年的碘-129样品中的原子转化为碘-128。剑桥大学的一个类似实验将锶-90转化为医学标签化学物质锶-89。

坏消息是进行大规模嬗变所需要的能量是巨大的，并不是所有的同位素都是合作的:它们的中子捕获体积如此之小，以至于过程变得更低效。

诺贝尔奖得主Gérard Mourou认为，对高能脉冲激光的仔细控制将大大降低嬗变的能源成本。他正在与几个小组合作，建立工业规模的系统，可以开始清理至少部分高活性废物。

即使激光可以变得更高效，还有更多的问题。首先，废物需要被分离，否则，游离的中子将转化样品中的其他元素，产生不需要的锕系元素。这不仅会增加再处理的成本，还会增加扩散的风险，因为它会产生更容易处理和移动的钚，这是深埋所要避免的一个结果。

数字双胞胎正在成为核废料处理的一个重要元素，既可以找到放置它的地方，也可以四处移动它。英国核退役管理局(NDA)已经采用了这一概念，以帮助建立一个更全面的图像，什么存储在哪里以及为什么存储。

NDA负责废物处理的首席执行官Corhyn Parr在11月国际原子能机构组织的一次会议上解释说，该机构“现在有了更详细的寿命规划”。它帮助我们获得实时数据，并将其公开，使我们能够向公众明确我们是如何交付的。”

使用数字双胞胎的一种方式是显示废物的状况并没有发生意外的变化。例如，NDA正在研究使用寿命为30年的传感器，这些传感器可以部分由废物本身产生的能量提供动力，以指示干式储存中的腐蚀和其他问题。这些读数可以与模拟数据进行实时比较，原则上，可以更容易地处理长期废物管理的一个大问题:不得不猜测是否有任何废物正在逃逸或变得危险地热。

同样，新一代机器人控制器正在尝试数字双胞胎技术，以使人类操作员更容易看到机器人及其周围的环境正在发生什么。这种方法的一个例子是LongOps项目，该项目是英国和日本达成的一项1200万英镑的协议的结果，目的是开发更好的可用于退役的远程操纵器。对于更远距离的远程控制，数字双胞胎方法可能会使用虚拟现实或增强现实对机器人进行更直观的控制。