美国尤卡山乏燃料永久储藏库

张憬之

先介绍一下乏燃料。Spent nuclear fuel
乏燃料就是我们平时说的核废料，美国的商业核反应堆每年制造2100吨的核废物，到2030年将产生87700吨。而这个正在建设的尤卡山核废物处置库的百分之90将用来永久储藏商业反应度产生的乏燃料。
经由反应堆的裂变，嬗变和放射性衰变，反应堆燃料的化学成分被改变了，形成的乏燃料里存在许多原始燃料里没有的元素和在自然界也没有的元素。比如说钚
乏燃料中有大量的放射性元素，这些放射性元素一旦生成就开始发生衰变，一种同位素变成另一种同位素，然后衰变成第三种，知道生成稳定的同位素。（就是永远不会发生变化的同位素）
因此乏燃料是一种复杂不断变化的混合物。可怕的是乏燃料将在很长一段时间内不断释放热量，产生辐射。一直到其中各种放射性同位素完成了衰变链形成了稳定同位素。
那么这个时间是多长呢？以铀238为例，衰变成钍234需要45亿年，由于时间长，所以单位时间释放的辐射非常小。不过乏燃料中的许多其他成分半衰期都要比铀238短得多，单位时间的辐射也强得多。
处理乏燃料有两种办法，1是再利用，也就是乏燃料再利用。
                      2是隔离。
后处理技术，主要是通过提炼乏燃料中的钚和铀，然后在制作成反应堆燃料。至于提取后剩下的一些混合废物，则通过专门设计的中子快堆中的中子轰击，使得这些废料变为放射性高，半衰期短的核废物，往往只需要隔离几个世纪或者更少的时间。
而选择深埋或者其他方法隔离技术的话，则需要将核废料永久的和生物圈进行隔离，也就是需要一个能够长期工作到永久的处置库。

而美国选用的是深埋技术，原因是77年，卡特政府担心恐怖分子可能会获得后处理的主要产品之一--钚，从而制造核武器（第一颗原子弹和长崎原子弹都是钚弹）。

这也就是会出现尤卡山处置库的原因

意外感染

我记得加蓬有个20亿年前的反应堆……

张憬之

美国的主流商业反应堆更换燃料后，乏燃料依然留在原来的燃料棒中，而燃料棒仍在燃料组件中。在处理废物时，整个组件作为一个单元来处置。
反应堆燃料要比他们的包装和组件重得多，以至于包装和组件的重量都可以忽略不计。
美国的商业反应堆放射性废物中，压水堆乏燃料占三分之二，其余都是沸水堆乏燃料
关于乏燃料的隔离处置，还有以下几种办法：
                                       1，深埋地下的地质处置法
                                       2，放入深海海沟
                                       3，液化后注入深层地层
                                       4，送往太空
而美国是最早研究发展地质处置库的国家。不过由于诸多原因，这项工作进展并不顺利。
而地处内华达的尤卡山属于美国联邦政府用地（不属于州政府）冷战期间曾在附近进行地面和地下核武器试验。
1983年指定为处置库备选地。
之后法定从核能用户征得能源税，存入一个基金，来支付未来核废物处置库的研究，建造，经营和封闭的费用。

尤卡山作为核废物处置库的优势如下
                                 1，人口稀少
                                 2，该地区严重缺水（因为水会渗入地下，进入处置库，溶解废物中的重金属，因此时间够长，溶解的放射性物质就能进入地下水）
                                    尤卡山的蓄水层是世界上最深的蓄水层之一，地下几百米的储藏库再往下钻探160米才能到达地下水位。并且，该地区的蓄水层
                                    是个孤立地下水系统，水流入死亡谷一个封闭地盆。
                                 3，尤卡山诞生于一次1千2百80万年前的北方火山爆发，再次爆发可能性非常小。而且尤卡山没有住断层，因此地震也不会抬高处置库
                                     或者导致地下水位发生变化。

意外感染

其实直接扔进活火山应该最方便吧。

张憬之

联邦政府的计划是在该地修建一个永久建筑，已达到保存废物至少1万年的目的。
不过，，测试建筑材料一万年以后的表现是不可能的。对材料长期性能的预测只能依靠数学模型。（非诚勿扰英国专场貌似有个落选小伙就是干这个的）
自然，这种预测会随着科学的发展，得到更加准确的校正数值，然后在根据这些数值重新建造设计核废料库。
对于“永久”封存的尤卡山，就需要设计一套在必要时可以将废料出库，在入库的办法。也就是说处置可逆性设计。
目前，尤卡山处置库的设计可以将至少100年内甚至300年内的储存的物品恢复到初始状态。

尤卡山的地下处置库深埋在213,4米的岩石中
而EPA（环保局）规定任何一名公众收到尤卡山的辐照水平上限为每年0,15mSv.这是一个相当低的辐照水平，普通美国人在家受到的氡辐射和饮用水辐射水平还高于这个数值。
在康涅狄格，日常受到辐射的数值是这个规定数值的23倍。不能不说这是个很苛刻的规定。

张憬之

尤卡山的核心储藏结构被称为封存平巷，建成后的处置库将在地表200米以下，就像一个巨大的地下隧道综合建筑群。主平巷通过略微倾斜的坡道与地表相连。
主平巷有许多小型分支腔室，这些就是封存平巷，乏燃料废物将在这里保存。
封存平巷是由很多岩桩固定，外墙是岩石，内里附上冲孔的金属板，地下铺设了·起重架导轨和导梁，核废物灌（乏燃料放入冷却池冷却数年后被干燥的放入干燥储藏罐，充入惰性气体，运输至此）
则放在导轨上面移动。还有滴液遮护板的保护。

张憬之

一个非常重要的细节问题，就是，处置库热的问题。由于乏燃料将长期向外释放的部分能量表现为热量，因此储物罐将释放大量热能，如果封存平巷在装入燃料罐不100年内就密封，那么无法通风的平巷温度将超过沸点。一开始认为，这样更利于储物罐的保存，因为渗入水将在没有接触到罐体时就被蒸发，但是进一步考察发现，高温将影响封存罐寿命。所以计划在永久密闭前先通风3个世纪。在这种模式下，即使停止了通风，密封了处置库入口，拆除了地上建筑，永久性关闭处置库，储物罐的表面温度也不会超过85摄氏度。
处置库的初衷是把库存与生物圈隔绝1万年以上。这势必要考虑到诸如政权更迭这类的人为因素。因此也就必须要考虑到将来的某个时刻，可以永久的关闭处置库，拆除接收和处理废物的现有建筑，尽可能的把该地区恢复到自然状态，直到环境恢复到初始状态，这项工程才能宣告结束。
能源部的分析报告指出，
                                          在所有处置库工作模式下，一万年内可能出现的癌症不超过1例，
原因如下：
                   1，核废物和地表相隔几百米的岩石
                   2，核废物在地下水几百米以上
                   3，燃料用专门设计好的多层工程隔层密封。

不过，由于种种原因，经过了20多年的调查研究，尤卡山还没有埋入一根燃料棒

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怎么看着像0号避难所

张憬之

由于美国的核能政策决策权分属许多不同的部门，比如NRC，核管理委员会，在比如EPA，环保局。诸如此类
而NRC如字面解释，是个管理委员会，并不负责决策。而普通人甚至可以通过法院来影响核政策。
由于内部政治的错综复杂的影响，06年能源部部长对外发表声明，称无法估计尤卡山何时能够接收乏燃料。
而对于商业核电站来说，尤卡山的一切支出全要由他们来掏腰包。因此，尤卡山的建设研究费用也被绑定在了核电的成本上。
（核电的成本结构与常规动力不同，只有一小部分用于支付原料，大部分用来支付电站安全，电站建设，废物处理等，而常规电站大宗支出只是在原料方面有体现，而几乎从不承担污染的治理。）
而之后，权威人士预言，美国的乏燃料处理政策将从永久地质封存转向地上临时储存和乏燃料在处理技术。
因此尤卡山在06年的时候就几乎已经被宣判了死刑。
最新的消息来自2010年，
     [据世界核新闻网2010年3月4日报道] 随着昨天尤卡山处置库计划的许可申请的撤销，尤卡山处置库计划正式终止。

    尤卡山的正式终止意味着实现1982年核废物政策法案的保证的努力化作投入100亿美元只换来 "不是一个方案"的下场。昨天能源部（DOE）向核管会（NRC）递交申请，撤销了建造和运行尤卡山的申请，尤卡山计划正式终止。

　　但是，DOE的Scott Blake Harris表示："奥巴马总统致力于确保国家满足我们长期贮存核废物的义务"。上个月组建的由15名成员组成的美国核未来蓝带委员会将讨论这个问题的路线。该委员会评估燃料循环和处置方案，包括乏燃料的后处理，但是不涉及任何的选址问题。该委员会的工作从3月25-26日召开的会议开始，将持续到2012年。

　　鉴于美国的乏燃料和其他来自武器计划的高放材料都临时贮存在数十个不同保安水平的场址中，可能会建议建造少数大型长期贮存设施。最可能的永久处置路线将是基于社会自愿参与的新的场址选择流程后建造另一座地质处置库。(核信息院 孙晓飞)

张憬之

非常像避难所。而且这种建筑结构是辐射里面没有出现过的。永久封存处置库。
设想一下，如果里面有永久处置的封存平巷，那么在废土中扮演什么角色？
如果都是空的，只是一个巨大的工地，那么又将扮演什么角色？
更有趣的是尤卡山的无水恶劣环境。不一定能演化出什么东西来呢。
光就这一个题目就很指值得发掘

张憬之

那恭喜你，，释放大量辐射的乏燃料要么将随着熔岩进入流动的岩石圈，要么随着火山灰进入大气圈，要么随着喷涌的岩浆直接进入生物圈。

张憬之

那个，，，天然形成的好像
应该是奥克罗铀矿，在20亿年前出现了一些类似反应堆的反应，造成了目前的铀异常。
具体我也不太清楚。不过这个事貌似就是个自然现象吧。。

张憬之

各人感觉这种地质深埋，无论多少东西论证了其可行性，安全性，稳定性，，老子还是固执的觉得巨不靠谱

老钱

核能的研究及应用到现在也才不过100年不到，各种技术还很粗糙哪。。。

现在常见的也仅仅是重裂变（比如常见的铀235裂变）和轻聚变（氘氚聚变成氦）。。。俺一直固执的认为，轻裂变和重聚变（将来）也是可行的，甚至取消这一步，直接湮灭质子级别大小的物质（现在的裂变聚变反应损失的重量仅仅是质子的一部分），甚至物质和能量的可控转换也是可能的。。


公式俺都想好了。根据热力学第二定律，世界发展随着熵增的趋势发展，也就是这个世界越来越无序，越来越混乱（冷热水混合会产生温水，温水不会自发分离成一份热水一份冷水）。
可以看出，物质的混乱度远低于能量。甚至可以把能量看做物质的第五态（固液气，等离子，能量），这个状态都可以在PV图上面画出来：低温的水比高温水熵低；同温时候，固态比液态的熵低（少了一个熔化焓，开放条件下（焓）/（绝对温度）=熵）。很明显，能量的熵就是最高的。

这样，就把物质和能量统一起来了，物质，能量不过是能量不同状态的表现就如同水和冰一样，没有本质区别。

因此，在物质和能量转换的时候，物质可以全部转化为能量（低熵能量具有高品位），其中部分必然转化为热能，其他部分可以通过不同手段实现比如机械能啊光能什么的（但是最终都是成为热能）；当要把能量转化为物质的时候，就达不到完全转化。。俺大胆猜想，这个转化率，必然是一个类似于卡诺效率的式子。。。。


扯远了。。。俺的意思是，这些乏燃料，可能在不久的将来，就不需要“永久埋藏”了，可能有其它作用，所以不需要设计这种万年坑——话说人类都没万年呢。。世界上还没有超过万年历史的人类遗产吧？

壊蟑螂

把核废料凑一堆直接发射到太阳上去

张憬之

目前可以说除了美国以外都采用乏燃料在处理技术，提炼铀和钚，然后在剩下的废料在使用特别设计的中子快堆轰击，产生出高放射性，半衰期短（100年左右）的废料。这些废料使用地上短期处置计划就好了。用不着想这种永久封存。
而新提炼出来的铀和钚混合在一起制造混合氧化物燃料，MOX
不过所有国家都是近几年开始放弃万年坑的。
估计主要还是上文说的原因，觉得商业核反应堆安全级别不够吧，，生怕被人造出了相对简单的钚弹。（很多国家的第一颗核弹都是钚弹）

张憬之

这个。。。成本什么的先不考虑，，貌似放射性射线会随着太阳辐射8分钟就到了地球，辐照全人类吧。。。
你是不是那个辐射教的。。

老钱

原来如此。这一段俺没学过。

这种国防级别的知识，粗粗搜了一下，也没有啥公式或者理论原理什么的。

等我再去翻翻书

张憬之

核燃料循环处置是不是维基上有啊，，
我这个最近看新能源的书看来的。觉得尤卡山这个设施应该很壮观。
不过，，还是觉得深埋不靠谱
一边看一边幻想，启示录后的世界，就剩下那么几个永久建筑，全部死干净的世界就像个骷髅，已经不能引起追寻腐败的人的兴趣时，那种想僵尸一样挂着肉，或者没有死透的世界就变得更加有意思了。人们不断地幻想自己爬上世界的残骸，在烂肉上嬉戏。
城市的废墟，残破的标志性建筑物，仍在工作的巨大永久建筑。。。。
这些应该是废土文化的核心内容吧

张憬之

铀-235与钚-239得来源不同。铀是从地底开采来的。开采出来的铀，不是二氧化铀，就是八氧化三铀。相反地，钚在自然界中基本上找不到，要获得它只有通过人工制造。铀-235是很特殊的一种物质。自然界里能开采出来的可裂变物质，全世界只有铀-235。不过它的份量很少，只占自然铀开采量的千分之七。大部分的铀都是铀-238。所以这也是为什么发电厂用铀是铀-235少，而铀-238多。

这条很重要，正说明了为什么美国政府不愿意做乏燃料在处理。很大原因就是在处理可以生产出钚来。而钚无法从自然界获得。所以生产钚的地方都应该被政府严格控制。可是一旦乏燃料处理技术普及，那么普通的商业核电站也可以生产钚，这样就不利于钚的管理。