Nowa wizja odpadów jądrowych

Kiedy samolot American Airlines Flight 11 leciał na małej wysokości w dół doliny rzeki Hudson rankiem 11 września 2001 roku, jego celem była północna wieża World Trade Center. Ale jego wpływ jest nadal odczuwalny w skupisku budynków, które minął około pięciu minut przed dotarciem do dolnego Manhattanu, w kompleksie reaktorów jądrowych o nazwie Indian Point w Buchanan w stanie Nowy Jork. W sąsiedztwie dwóch działających reaktorów na miejscu znajdują się dwa budynki wypełnione wysoce radioaktywnymi prętami zużytego paliwa, w kałużach wody o głębokości 12 metrów i zabarwionym błękitem Ty-D-Bol przez bor dodany w celu tłumienia reakcji łańcuchów jądrowych. Kojący szum pomp, które krążą w ciepłym, wilgotnym powietrzu budynku – i, co najważniejsze, utrzymują chłodną wodę – tworzą atmosferę przemysłowego spokoju.

Bez wody chłodzącej płaszcz paliwowy może się przegrzać, stopić, zapalić i uwolnić promieniowanie. Nie jest jasne, czy uderzenie Boeinga 767, takiego jak Lot 11, może osuszyć jedną z basenów i wyłączyć zapasowe pompy wodne, wywołując taki pożar. Niemniej jednak zagrożenie terroryzmem w ogóle, a w szczególności przelot lotu 11, ponownie rozgorzały debatę na temat tego, dlaczego całe to niebezpieczne paliwo wciąż tu jest – w rzeczywistości, dlaczego całe wypalone paliwo wyprodukowane w Indian Point w ciągu trzech dekad wciąż tu jest – a nie w Yucca Mountain, miejscu pochówku rządu federalnego w pobliżu Las Vegas, dokąd miał być wysyłany sześć lat temu.

Późnym latem ubiegłego roku w Indian Point rozpoczął się projekt budowlany, który pozwoli na wyciągnięcie paliwa z basenów. Ale to nie idzie do Yucca. Rząd twierdzi, że Yucca nie będzie gotowa do 2010 roku. Kierownictwo przemysłu jądrowego twierdzi, że bardziej prawdopodobna data przypada na rok 2015 i nigdy. Więc zamiast do Nevady, paliwo Indian Point podróżuje około 100 metrów, do urwiska z widokiem na rzekę Hudson. Pod koniec lata w tym roku koparko wyrwało klony i orzechy czarne, aby zrobić miejsce dla betonowej podkładki. Od przyszłego roku zostanie tam umieszczona pierwsza z planowanych 72 beczek betonowo-stalowych o wysokości sześciu metrów, w konfiguracji, która zwiększa pojemność magazynową, a tym samym umożliwia dalszą pracę bliźniaczych elektrowni. Chociaż zapewniają one zabezpieczenie przed najgorszym przypadkiem stopienia się zbiornika paliwa, te beczki są tylko kolejnym tymczasowym rozwiązaniem. Fakt, że są one w ogóle potrzebne, reprezentuje kolosalną porażkę planów i technologii Yucca Departamentu Energii USA.

Jednak pomimo niepowodzeń inżynieryjnych i politycznych, ten ma pozytywną stronę. Konwencjonalne myślenie utrzymuje, że problemy Jukki muszą zostać rozwiązane szybko, aby odpady nuklearne mogły zostać bezpiecznie i trwale wywiezione głęboko w odległej górze. Ale oto zwrot: w przypadku odpadów nuklearnych prokrastynacja może się opłacać. Budowa beczek daje szansę na ponowne przemyślenie konwencjonalnego. Niezwykle pomocny może być upływ kilkudziesięciu lat, podczas gdy odpady leżą w beczkach. Sto lat dałoby Stanom Zjednoczonym czas na obserwowanie postępu w składowaniu odpadów w innych krajach. W międzyczasie naturalny rozpad radioaktywny spowodowałby, że odpady byłyby chłodniejsze, a tym samym łatwiejsze do usunięcia. Co więcej, postęp technologiczny w następnym stuleciu może przynieść lepsze długoterminowe metody przechowywania. Jeśli to potrwa przez kolejne 50 lat, to nie ma znaczenia. To może trwać 100 lub 200 lat i prawdopodobnie na lepsze, mówi Allison Macfarlane, geolog z MIT i współredaktor nadchodzącej książki o Yucca. Mamy mnóstwo czasu na zabawę.

Rząd musi teraz zaakceptować fakt, że jego plan Yucca jest porażką i że beczki są de facto rozwiązaniem. Podkładka do beczek Indian Pointa nie będzie pierwsza; ma je już około dwóch tuzinów działających reaktorów. Inni prawdopodobnie wkrótce dołączą do listy. A niektóre beczki – w Rowe, MA, Wiscasset, ME, Charlevoix, MI i w pobliżu Sacramento w Kalifornii – to sieroty nuklearne, które przeżyły swoje reaktory. Każda beczka jest mniej więcej wielkości boiska do piłki nożnej, oświetlona, ​​obserwowana przez czujniki ruchu i telewizja przemysłowa, otoczona drutem kolczastym i uzbrojonymi strażnikami. Biorąc pod uwagę troskę o bezpieczeństwo kraju, jaką stwarzają obiekty z odpadami nuklearnymi i potrzebę ich indywidualnej ochrony, czy naprawdę chcemy, aby 60 z nich – obsługujących wszystkie 125 reaktorów komercyjnych, które kiedykolwiek działały – powstało w całym kraju, a wiele z nich w pobliżu skupisk ludności? Jeśli beczki są rozwiązaniem dla następnej lub dwóch generacji, należy je umieścić w jednym miejscu.

Yucca jest już na wątłym gruncie; w lipcu federalny sąd apelacyjny stwierdził, że aby otworzyć górskie cmentarzysko, rząd musiałby wykazać, że może ono zawierać odpady przez setki tysięcy lat. Szeroko zakrojone analizy naukowe Departamentu Energii pokazują, że nie. Decyzja sądu rzuca całe pytanie z powrotem do Kongresu USA, który musi teraz zdecydować, czy w ogóle postępować z Yucca. Daje to możliwość pogodzenia polityki z fizyką i porzucenia dogmatu juki lub biustu, który dominował w debacie od prawie 20 lat. Beczki, zlokalizowane centralnie, mogą znacznie ułatwić rozwiązanie problemu odpadów wysokoaktywnych i znacznie szybciej zwiększyć bezpieczeństwo narodowe.

Wizja tunelu

Federalna fiksacja na górze Yucca obejmuje teraz dwie dekady. Na początku lat 80. rząd zgodził się na odbiór odpadów z każdego zakładu jądrowego, który płacił taryfę w wysokości jednej dziesiątej centa za kilowatogodzinę wytworzoną przez reaktory. Wszystkie firmy szybko się zapisały. Ale wybór Yucca, 150 kilometrów na północny zachód od Las Vegas, nigdy nie był kierowany przez naukę. Miejsce zostało wybrane przez tę dostojną grupę geologów i fizyków, Kongres USA. Jak dotąd Departament Energii wydał około 6 miliardów dolarów na rozwój, w tym na budowę ośmiokilometrowego tunelu w kształcie litery U przez górę, w niektórych miejscach prawie 300 metrów pod powierzchnią. Planuje wydać co najmniej 50 miliardów dolarów więcej na budowę dziesiątek bocznych tuneli, pakowanie odpadów do stalowych kontenerów, które wyglądają jak część cysterny ciężarówki z benzyną, umieszczanie odpadów w tunelach i eksploatowanie terenu przez 50 do 100 lat wcześniej zapieczętowując go na wieczność.

Problemy nękają Yucca od samego początku. W debacie senackiej zwolennicy podkreślali, jak bardzo jest sucho. W rzeczywistości Yucca znajduje się na terenie dzisiejszej pustyni. Okazuje się jednak, że ziemia jest wilgotna. Nawet około 19 centymetrów deszczu, jakie pada każdego roku na górę, jest poważnym problemem. Z biegiem czasu wilgoć może korodować nawet najlepsze znane człowiekowi stopy. Korozja oznaczałaby, że woda deszczowa przesiąkająca przez ziemię mogłaby przenosić materiały radioaktywne i przenosić je do systemów irygacyjnych i studni wody pitnej w regionie, dostarczając w ten sposób znaczne dawki promieniowania niczego niepodejrzewającym pokoleniom ludzi.

Innym problemem jest upał. Krótkożyjące izotopy radioaktywne w zużytym paliwie, głównie cezu-137 i strontu-90, dają pojedynczy zestaw paliwowy, świeżo po wyjęciu z reaktora, moc cieplną równą mocy około 20 ręcznych suszarek do włosów. Dlatego każda elektrownia ma przyległy basen, w którym krąży woda chłodząca. Gdy paliwo znajdzie się pod ziemią w Yucca, będzie wystarczająco gorące, aby zagotować wodę gruntową w parę. Para może skorodować pojemniki lub rozbić otaczającą skałę, wzbudzając niepewność co do bezpiecznego zakopania. Rozprowadzanie odpadów rozproszyłoby ciepło, ale również znacznie zmniejszyłoby pojemność magazynową Yucca. Następnie pojawia się problem rozpadu radioaktywnego. Cząstki o wysokiej energii mogą wchodzić w interakcje z otaczającymi materiałami, rozkładając je lub powodując wydzielanie wodoru, gazu, który może eksplodować lub palić.

Na początku tego roku naukowcy z Katolickiego Uniwersytetu Ameryki, wynajęci przez stan Nevada, pobrali próbki metalu, którego Departament Energii chce użyć w Yucca i umieścili je w wodzie zmieszanej z minerałami obecnymi w górach. Podczas gdy szereg mówców wykładało dziennikarzom, dlaczego Yucca była złym pomysłem, naukowcy podsmażyli metal na palniku. Do czasu zakończenia wykładów próbki uległy korozji, niektóre z nich przeszły przez całą drogę. Można dyskusyjne, jak wiernie ten wyczyn odtworzył chemię Yucca Mountain. Ale najwyraźniej Yucca jest przedmiotem poważnych wątpliwości. Trzeba pomyśleć gdzieś w strukturze założeń całej sprawy, coś było strasznie nie tak, mówi Stewart Brand, konsultant z San Francisco, który kiedyś doradzał rządowi kanadyjskiemu, co zrobić z własnymi odpadami.

Chłodniejsze paliwo

Argumentem przeciwko beczkom jest to, że są one jedynie tymczasowe, nie mają służyć dłużej niż być może 100 lat i że są rodzajem poddania się, pozostawiając problem odpadów tego pokolenia przyszłym pokoleniom do rozwiązania. Jednak ich nietrwałość jest dokładnie tym, co jest w nich dobre. Za sto lat wypalone paliwo reaktora będzie chłodniejsze i bardziej podatne na trwałe usuwanie. W rzeczywistości w ciągu kilkudziesięciu lat średnia moc cieplna pakietu paliwowego spadnie do dwóch lub trzech suszarek do włosów. Po 150 latach pozostanie tylko jedna trzydziesta sekunda cezu i strontu. Pozostały materiał można zakopać bliżej siebie bez gotowania wód gruntowych. Mniejsze ciepło oznacza mniejszą niepewność.

To prawda, że ​​wypalone paliwo nie będzie bezpieczne po tak stosunkowo krótkim czasie. Nawet po 100 latach nadal będzie tak radioaktywny, że kilka minut bezpośredniego narażenia będzie śmiertelne. Minęło wiele, wiele, wiele tysięcy lat, zanim to nieważne, mówi Geoffrey Schwartz, kierownik beczek w Indian Point, którego właścicielem jest Entergy Nuclear. Ale zużyte paliwo z biegiem czasu staje się łagodniejsze.

Paliwo też mogłoby być bardziej wartościowe. Od dziesięcioleci przemysł i urzędnicy rządowi uznają, że zużyte paliwo reaktora zawiera dużą ilość niewykorzystanego uranu, a także inne bardzo dobre paliwo reaktorowe, pluton, który jest wytwarzany jako produkt uboczny pracy reaktora. Oba można łatwo wydobyć, chociaż obecnie cena nowego uranu jest tak niska, a koszt wydobycia tak wysoki, że ponowne przetwarzanie zużytego paliwa nie jest praktyczne. A klimat polityczny nie sprzyja technologii, która czyni potencjalne paliwo bombowe – pluton – przedmiotem handlu międzynarodowego. Ale za 100 lat może być inaczej. Po pierwsze, to samo paliwo można byłoby znacznie łatwiej ponownie przetworzyć, ponieważ potencjalnie cenne składniki będą znajdować się w matrycy materiału, który nie jest tak intensywnie radioaktywny.

A za 100 lat postęp w technologii ponownego przetwarzania może sprawić, że ekonomia będzie atrakcyjna. Istniejąca technologia amerykańska pochodzi z czasów zimnej wojny i obejmuje skomplikowane procesy chemiczne, które powodują powstawanie ogromnych ilości płynnych odpadów. Istnieje jednak alternatywa: regeneracja elektrometalurgiczna. Chociaż badania nad tą techniką zostały ostatnio opóźnione ze względu na klimat gospodarczy, w przyszłości koncepcja ta może być traktowana poważniej. Elektrody mogłyby oddzielić śmieci (atomów powstałych podczas rozszczepiania uranu) od nadającego się do użytku uranu (uran-235 wciąż dostępny do rozszczepienia i uran-238, który można przekształcić w pluton w reaktorze), podobnie jak jubilerzy użyj elektrometalurgii do nałożenia srebrnej płyty. Powstałe ilości odpadów byłyby znacznie mniejsze.

Co być może najważniejsze, za 100 lat podaż i popyt na energię mogą się bardzo różnić. Przetworzone paliwo jądrowe może równie dobrze stać się krytyczną częścią dostaw energii, jeśli na świecie zabrakło taniej ropy, a uznamy, że spalanie węgla jest zbyt szkodliwe dla naszej atmosfery. Jeśli tak się stanie, możemy mieć 1000 reaktorów jądrowych. Z drugiej strony możemy nie mieć reaktorów, w zależności od postępu alternatywnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa. W tym momencie trudno powiedzieć, ale nie musimy podejmować decyzji teraz; możemy umieścić wypalone paliwo w beczkach na 50 lat, a następnie zdecydować, czy jest to pszenica, czy plewy.

Istnieje ostatni, bardziej praktyczny powód, dla którego możemy zdecydować się na usunięcie plutonu ze zużytego paliwa do wykorzystania w reaktorze: ułatwia to przechowywanie pozostałej części. W większości to, co pozostanie, nie będzie radioaktywne przez prawie tak długo, a sama objętość materiału będzie mniejsza. Mark Deinert, fizyk z Cornell University, mówi, że ponowne przetwarzanie, podobnie jak recykling, usuwa około połowy materiału z odpadów, drastycznie obniżając koszty przechowywania i skutecznie podwajając pojemność obiektu takiego jak Yucca.

Postawienie na lepsze przechowywanie

Choć odpady promieniotwórcze byłyby łatwiejsze do zagospodarowania za 50 czy 100 lat, nadal wymagałyby izolacji na kilkaset tysięcy lat. Ale są wszelkie powody, by oczekiwać, że technologia pamięci masowej ulegnie poprawie w następnym stuleciu. Decydując się na trwałe usuwanie odpadów, po ponownym przetworzeniu lub bez ponownego przetwarzania, możemy być mądrzejsi w metalurgii, geologii i geochemii niż jesteśmy teraz.

Obecnie podstawową technologią w Yucca jest materiał ze stali nierdzewnej, zwany stopem 22, pokryty tytanowym parasolem – osłoną chroniącą przed wodą przesiąkającą przez dach tunelu. To może wyglądać tak prymitywnie za 100 lat, jak Flyer z 1903 roku braci Wright wygląda dla nas w 2004 roku. Albo może po prostu być przestarzały. Technologia wystrzeliwania kosmicznego może stać się tak niezawodna, jak dzisiejsze samoloty odrzutowe, dając nam niemal niezawodny sposób na wyrzucanie odpadów na orbitę słoneczną. Tajemnice geochemii mogą być tak przejrzyste, jak staje się ludzki kod genetyczny, co oznaczałoby, że moglibyśmy z pewnością powiedzieć, jaki rodzaj opakowania utrzyma odpady w zamknięciu przez następne kilkaset tysięcy lat.

Lub mogą istnieć prostsze sposoby przetwarzania odpadów. Na przykład akceleratory cząstek, rutynowo używane do wytwarzania izotopów medycznych, mogą zapewnić środki do uczynienia odpadów bardziej łagodnymi. Zasada została już zademonstrowana eksperymentalnie: wystrzeliwanie cząstek subatomowych na wysokoaktywne odpady promieniotwórcze może zmienić długożyciowe materiały promieniotwórcze na krótkożyciowe. Richard A. Meserve, były przewodniczący amerykańskiej Komisji Dozoru Jądrowego, a teraz przewodniczący panelu National Academy of Sciences ds. odpadów jądrowych, mówi, że ta technologia, znana jako transmutacja, może stać się bardziej praktyczna za 100 lat. Technologia akceleratorów rozwinęła się w ciągu ostatnich kilku lat – mówi – i można się założyć, że nadal będzie to robić.

Niektóre alternatywne technologie pamięci masowej mogą wymagać tylko kilku lat badań i rozwoju. Jednym z nich jest opakowanie ceramiczne. Ceramika ma dobrą odporność na promieniowanie i ciepło oraz nie rdzewieje. W tej chwili nikt nie odlewa ceramiki wystarczająco dużej, aby pomieścić zespoły paliwowe, które zwykle mają około czterech metrów długości. Ale nie ma teoretycznej granicy rozmiarów ceramiki; po prostu nie było zachęty ekonomicznej do robienia gigantycznych. Nie będzie, dopóki jedyny prawdopodobny klient, Departament Energii, nie uzna, że ​​metal, który teraz kupuje, nie nadaje się do pracy.

Inna alternatywa wymaga mieszania odpadów z ceramiką lub minerałami w celu wytworzenia materiału skalnego zawierającego około 20 procent odpadów. Odpady byłyby wiązane chemicznie w stabilnych materiałach, które nie są podatne na reakcje z wodą. Dzięki kilkudziesięcioletniemu okresowi karencji inżynierowie mogli tworzyć próbki i testować je w trudnych warunkach. Ale chociaż pomysł istnieje od ponad 10 lat, nikt nie włożył w niego poważnych pieniędzy na badania, ponieważ jego jedyny możliwy amerykański klient, Departament Energii, jest zaangażowany w Yucca.

Ta sytuacja nie wykazuje żadnych zmian. Departament Energii, wykonując polecenia Kongresu, jak dotąd odmówił rozważenia alternatyw. Man-Sung Yim, badacz nuklearny z North Carolina State University w Raleigh, twierdzi, że niektóre z tych technologii są już dojrzałe, ale zostały odsunięte na bok w pośpiechu Departamentu Energii, być może bezowocnym, aby otworzyć Yucca. W tym momencie czytam, że ludzie pracujący w biurze projektowym Yucca Mountain tak naprawdę nie chcą zmieniać projektu. Im więcej wprowadzasz zmian, tym bardziej opóźniają się procesy, mówi Yim. Szkoda, bo moglibyśmy to ulepszyć.

Centralne wylewanie

Ale dążenie do idealnego rozwiązania (przy założeniu, że składowanie w głębokich warstwach geologicznych może nawet zostać udoskonalone) zignorowało realistyczne rozwiązanie. A kiedy ideał zawiedzie, co teraz wydaje się prawdopodobne, zostanie nam coś, czego nie wybrałby żaden racjonalny człowiek: wysypiska śmieci rozrzucone od wybrzeża do wybrzeża, w miejscach, w których kiedyś znajdowały się reaktory, każdy z własnymi siłami bezpieczeństwa, ekipą konserwacyjną, i strefa wykluczenia. Jesteśmy tutaj, aby prowadzić biznes tak wydajnie, jak to możliwe, mówi John Sanchez, kierownik projektu, który nadzorował planowanie padu w Indian Point, kiedy pracował w Consolidated Edison, byłym właścicielu witryny. W idealnym świecie nie miałbyś 60 niczego, gdybyś mógł mieć jedno. Ale po 20 latach poszukiwań geologicznych i 15 latach ścigania Yucca i unikania jakiejkolwiek wzmianki o planie B, pojawia się właśnie takie doraźne i nieoptymalne rozwiązanie.

I pojawia się bez wsparcia Departamentu Energii. Zeznając przed Senacką Komisją Energetyczną latem, Kyle McSlarrow, zastępca sekretarza Departamentu Energii, powiedział, że ciągłe postępy w tworzeniu składowiska odpadów wysokoaktywnych na terenie Yucca Mountain są absolutnie niezbędne. Powiedział innej komisji tego samego dnia, że ​​wraz z postępami w kierunku otwarcia Yucca, przemysł wyraźnie zauważył, że opcja energii jądrowej naprawdę wróciła na stół. (Departament nie udostępni McSlarrowa ani innych urzędników do komentowania tego artykułu.)

Przechowywanie beczek nie jest ładne, ale co jest złego w idei składu przemysłowego, kilku hektarów zarezerwowanych na następne stulecie, pojedynczej, strzeżonej lokalizacji na mało zaludnionym obszarze, lokalizacji, która za mniej więcej dziesięć lat być wyjątkowym tylko dlatego, że jest to miejsce, w którym śnieg nie przykleja się? Macfarlane z MIT twierdzi, że zabezpieczenie takiej witryny przed terroryzmem kosztowałoby najwyżej 6,5 miliarda dolarów. Czy to nie jest tego warte? Ile wydaliśmy na Irak? Zobacz, co mamy za te pieniądze. A tutaj jest więcej ryzyka, mówi.

Znalezienie centralnej lokalizacji stanowi oczywiste wyzwanie; nikt nie chce mieć na swoim podwórku żadnego rodzaju składowiska odpadów radioaktywnych. Jednak po długich negocjacjach grupa inżynierów użyteczności publicznej, w tym Sanchez, zawarła umowę z zespołem Skull Valley z plemienia Goshute na długą dzierżawę części rezerwatu 80 kilometrów na zachód od Salt Lake City. W okolicy znajduje się już poligon bombowy sił powietrznych, skład i spalarnia gazów paraliżujących oraz składowisko niskoaktywnych odpadów radioaktywnych; Goshutes uważają, że mogą wykorzystać czynsz na zakup ziemi w ładniejszej okolicy.

Niektórzy eksperci uważają, że rząd federalny mógłby przejąć projekt Goshute i doprowadzić go do końca, ale jest szkopuł – ironiczny, biorąc pod uwagę obawy przed atakiem w stylu 11 września na obiekt jądrowy. Komisja Dozoru Jądrowego ustaliła, że ​​zderzenie F-16 z beczkami w drodze do lub z miejsca testów jest wiarygodnym wypadkiem. Ale chociaż taka awaria bez wątpienia byłaby katastrofalna, beczki zapewniają pewne korzyści w zakresie bezpieczeństwa w porównaniu z dzisiejszymi basenami z paliwem. Paliwo w beczkach jest znacznie bardziej rozprowadzone i nie wymaga przepływu wody chłodzącej, aby zapobiec samorzutnemu rozprzestrzenianiu się ognia. W ten sposób skutki najgorszego przypadku są bardziej ograniczone. W każdym razie, jedna odległa lokalizacja centralna byłaby łatwiejsza do ochrony za pomocą obrony przeciwlotniczej niż wiele rozproszonych lokalizacji.

Te rozproszone miejsca już teraz stwarzają lokalne problemy. Beczki z dawnego reaktora w Wiscasset, ME, blokują przebudowę półwyspu, na którym są przechowywane, cennego terenu przemysłowego. Miejsce beczek w pobliżu elektrowni jądrowej Prairie Island w Welch w stanie Minnesota sąsiaduje z plemiennym ośrodkiem opieki dziennej i kasynem, co nie jest niczyim rozwiązaniem na dłuższą metę. Nieuchronnie po 11 września beczki Indian Point będą miejscem strachu. Te wyniki będą wydawać się jeszcze głupsze za 30 lat, kiedy wiele reaktorów, które wytwarzały odpady, zniknie.

Sanchez wspomina, że ​​niósł piknikowy lunch pod drzewostan z klonami i orzechami czarnymi, który został zastąpiony betonową podkładką do przechowywania odpadów nuklearnych. W miarę upływu lat coraz mniej ludzi będzie wiedziało, że te drzewa istniały. Za kilkadziesiąt lat, gdy dzisiejsze starzejące się elektrownie jądrowe są likwidowane, ludzie mogą nie pamiętać, że same reaktory istniały. Jeśli jednak wkrótce nie podejmiemy działań, beczki odpadów staną samotnie na tym urwisku nad rzeką Hudson – i w dziesiątkach innych miejsc w całym kraju.

ukryć