高放废物玻璃固化的选择方案 需求常识

• 1 •高放废物玻璃固化的选择方案美国BELL 咨询公司以及其他法定的政府功能随着美国移向国家预算平衡正在强化有效使用纳税人的美元美国能源部的整治高放废物贮槽业已被描述为DOE系统中最重要的优先考虑的事情将包括从老化的贮槽回取废物目前玻璃固化美国国会和美国人民也许未意识到处理1m 3废物的费用是约200万美元在西谷场址在汉福特私有化后的估计要价大于400万美元/m 3废物产物按目前最低的费用200万美元/m 3 HLW 玻璃产物计算萨凡纳河不管我们的国家是否能够经得起这种数额的处理费用当可替代的工艺能够提供安全处置且费用相对较低时是需要考虑的DOE废物贮槽造成的危险程度不是成为高度优先的根据这种努力多半才能继续下去选择一种较低价格的工艺能够安全地完成需要的废物整治不能实施真正能节约费用的废物处理政策能导致国会否定为DOE 继续放射性废物贮槽整治提供资金整治国防废物的费用估计是混乱的例如在表1表示的国防废物整治费用估计当然还要增加我们正在进行的各种不同国防计划的费用年仅仅为了整治这些估计表明整治美国国防废物需要的纳税美元数量是惊人的公民们喜爱一般的废物整治概念以及达到安全存贮放射性国防废物材料的需要甚至我们公民中的少数人具有目前建议的整治对策的费用有效性计算需要的信息或专门知识表1 美国国防废物整治费用的例子国防废物整治协议费用来源槽贮废物国家协议500亿美元参考文献[1]非堆放危险废物国家协议360亿美元参考文献[2]a堆放危险废物国际协议180亿美元参考文献[2]a钚和浓缩铀国际协议300亿美元摘自M-4公司数据　a 在参考文献[2]最近为M-4公司的高级职员业已谈及十年来有关危险国防废物的工作尤其是生物的和化学的危险废物在空想的研究中包括化学的和放射性的两种应整治到最大可能的程度我们中的少数人天真到相信这是可能的消耗年收入税金于废物整治例如像福利公共教育工作在废物整治的有知识科学家必须接受对于发展和向公众公布有关不同废物整治方案以及可替代技术的优缺点和全部费用的准确信息的责任以及必须积极支持这些机构评估不同的可替代方案必须决定以及不使国家破产无论何时对普通美国人的最大多数来说因此很清楚的是如像国防材料生产需要去赢得第二次世界大战以及几十年中的其他战争的胜利且愿意为之付款但是• 2 •当作为普通公民的我们通常我们会采取常识性的方法来满足如下需求１　辨认某些补救方法　判断我们的预算是否能够支付费用４则去解决此需求５则可以选择一种既能解决问题的关键方面在日常的基础上杂货和衣服到更重要地购买一辆轿车或一幢住宅的决定基于可用的资金有限资金的情况并综合考虑我们的选择街上的人许多人相信就用采取发布政府公债或增加税收选择的一个不实际的方法显然不能永远继续下去保健和安全超过21世纪的头四分之一的整治项目为国际协议或重要的健康或安全关注所驱使将被迫采取更加真实的第5部所述的方法前面的讨论可应用于许多的政府需求我希望同事们和国家其他有关的公民将解决这类问题和需求并与关心它的国会代表联系在该领域作者具有某些直接经验和知识2 槽贮放射性废物美国能源部业已花若干年于确定槽贮废物问题的大小这些场址以及最终选定的废物产物处置场之列于表2Î÷¹È³¡Ö·Ò²ÔÚDOE的职责范围为这四处的废物选定的最终处置库是内华达州的尤卡山即田纳西州的橡树岭国家实验室也有槽贮废物但不是直接从国防项目产生的WIPP尤卡山和WIPP处置库在结构和目的上是完全不同的WAC表2 在DOE厂址的铀后元素废物摘要DOE场址槽贮废物槽贮废物形式预计HLW产物选定的• 3 •• 4 • 数量仓库 汉福特232000a上清液/泥浆/盐饼10000到20000尤卡山 萨凡纳河场址 126000b上清液/泥浆 4860尤卡山 7500b 酸性液体 100 尤卡山 爱达荷国家工程和环境实验室 5000 煅烧物 1000尤卡山 西谷 2300c 上清液/泥浆 240HLW/5400LLW尤卡山 橡树岭2500d上清液/泥浆1000WIPP e*因为废物产物形式不同(a)参考文献[3](c)参考文献[5]和[6](e)橡树岭槽贮废物产物称为需远距离操作的超铀废物萨凡纳河和西谷场址的槽贮废物中的HLWÊÇÓÉÔÚÒ»³¤ÁлðɽÖÊÄý»ÒÑÒ[8]构成的小山中直径约7米其主要目的是贮放民用动力堆乏燃料组件乏燃料材料通常是带有大表面积的破裂烧结氧化物大约90%尤卡山处置库的容积将选定用来处置乏燃料元件主要是前述的固定了的DOE 槽贮废物现在正在研究有关不同放射性活度的低概率释放情景的诸多问题然而尽管萨凡纳河场址和汉福特场址都已计划建暂时贮存用的简易贮存库我们假定DOE 的远距离操作超铀废物或高放废物都将在尤卡山处置WIPPÒ²ÔÚɳĮÇøÓòÇÒ´¦Öÿâ·â±ÕÐí¶àÄêºó¿¢¹¤ºóDOE 期望在1999年能开始接受包装在钢桶中的废物也将接受包装在较大钢罐中的RH-TRU废物将橡树岭麦尔顿山谷贮槽的废物运到WIPP 处置其放置RH-TRU废物产物对WIPP的安全要求超过保证安全处置这些废物自1960年以来在将放射性废料结合入玻璃而加以处置方面[10]国际上处理从商用核电厂来的乏燃料的国家将他们的高放废物固定入玻璃而加以处置乏燃料的放射性几乎全部在此物流中在处理商用燃料的工艺过程中的高放废物特性与DOE槽贮废物的高放废物大大不同对用玻璃化工艺整治槽贮废物提供了不多的证明桑迪亚国家实验室在评估煅烧物性能的最近研究中得出结论影响国家科学院对于高放废物的最好形式并结论为玻璃基质是最好的在1980年6月考虑了15中废物形式并得到相同的结论对于高放废物长期处置的结论认为在科学界内对于NAS结论没有什么不同意见高放废物处置的某些重要方面例作为氧化物重量剩下的如约75%½«ÊǶèÐÔ²£Á§µ¼Ö¼«´óµØÔö¼ÓÖØÁ¿在NAS研究中研究没有很好考虑费用或许事实上在那个时候不幸而没正常的应用常识做为决断的标准a ÒÔ¼°对此问题是否有某些其他较少花费而仍可接受的解决办法DOE场址高级的有资格的职员做出的可接受的结论是前提似乎是唯一的最好形式美国愿意能承担此项费用• 5 •• 6 • 关于汉福特槽贮废物处理RFPµ«ÊÇËüÐèÒªÒ»ÖÖ·ÏÎïÐÎʽÄÜÂú×ã¶ÔÅð¹èËáÑβ£Á§Ìá³öµÄͬÑùÒªÇóͨ¹ýÔ-×ÓÄÜίԱ»á¶ÔÅð¹èËáÑβ£Á§·ÏÎïÐÎʽµÄ·¢Õ¹ÒÑÌṩÁË´óÁ¿µÄ×ʽðÔÚÒÑÏûºÄÈç´Ë¶àµÄʱ¼äºÍ¾-·ÑºóÔÚ·¢Õ¹ÉÏ¿ÉÄܵ¼ÖÂÓÃÓÚ´¦ÀíDOE 槽贮废物的玻璃化工艺的一个错误判断也许还有某些担心然而产生高放废物的玻璃废物形式也包括在内似乎对美国政府年度财政无影响以致所有国防废物都将处理成为硼硅酸盐玻璃通常至少包括下面5个工序１２３４５且运输和废物最终处置也同样是工序然而固定可能包括地方废物和高放废物两种流体在任何DOE 废物贮槽场址一个整体的整治流程中这样一个流程的所有单元最终为处置HLW 而选择的固定工艺所决定预处理将设计为减少HLW 产物的体积包装和暂时贮存取决于制备好的HLW 产物的固定后体积必须包括上述的五个基本工序的综合费用和不同流程的相对费用最好以指定流程中的HLW 产物体积的比例表示总费用将包括投资费用和用于处理槽贮废物整个流程的运营费用运营年数因此在私人公司的废物整治合同中通常为运营公司借来的而政府运营的整治项目但将包括政府承包者的管理和运营费用但是槽贮废物整治真实总费用的实际估计必须• 7 •包括运输槽贮废物处理之后以及HLW 产物在暂时贮存中基于由特殊流程得到的HLW 产物数量和产物必须运输的距离或者运去WIPPÈ»¶øÉдý²Ù×÷µÄÒò´Ë²»ÄÜ°üÀ¨ÔÚ±¾ÌÖÂÛÖÐÔËÊäºÍ´¦ÖõÄ×î´ó·ÑÓÃÒòËؽ«ÊÇÒ»¸öÌض¨Á÷³Ì²úÉúµÄHLW 量和结合运输和处置的某些合理估计贮存的废物整治后这必须满足环境保护局对永久封闭一个废物贮存设施提出的所有管理要求但封闭费用未包括在以前讨论的废物处理费用中8个MVST 贮槽将继续作为废物贮存设施给ORNL 研究操作服务在西谷爱达荷和里奇兰/汉福特场址7 硼硅酸盐玻璃固化及有关的运营费用作为一个国家让我们研究某些最新玻璃固化工作的费用数据真正转化槽贮废物为HLW 硼硅酸盐玻璃的费用必须包括一种整体流程的所有组成当然工艺流程将依槽贮废物特性而变化两个DOE 场址目前是转变槽贮废物为硼硅酸盐玻璃槽贮废物整治系统私有化的阶段1-BÓйغÏͬ²»¾Ã¼´¿É¶©Á¢应当注意到参考文献[7]245吨氧化物的玻璃化将产生980吨或408 m 3的HLW 玻璃产物为了所有177个贮槽中的废物玻璃化20000 m3RFP规定的2800吨钠的量在177个汉福特贮槽中仅占4%因为汉福特项目的数量大以及其对DOE 环境管理总预算的影响以及比较其他可接受的废物形式的科学家是一段关系重大的时期我们也必须了解以及对于美国政府预算的总要求萨凡纳河场址业已公布有关硼硅酸盐玻璃固化费用的信息国防废物处理设施DWPFÒÔ1996年度的美元计对此其中也包括大量的研究和发展费用产生内装HLW 玻璃产物的172个容器是DWPF运营25年因此1亿美元/138 m3ÔÚÕâ¸öÀý×ÓÖÐÒò¶ø²»°üÀ¨¹ØÁªµÄÀûÏ¢²£Á§¹Ì»¯µÄ×Ü·ÑÓÃԼΪ200万美元/m3 HLW硼硅酸盐玻璃产物但是人们可以假定因为运营总流程必须修改来从LLW中除去铯此外熔炉部件将要替换7或8次还有假如萨凡纳河的槽贮废物玻璃化实际继续25年将使美国纳税人至少负担96亿美元的费用DOE也在处理槽贮废物为玻璃产物但其目的是相同的在这个处理过程中在西谷或总共208 m3 HLW硼硅酸盐玻璃总费用6.5815亿美元或316万美元/m3 HLW玻璃这个数字不包括关联的HLW分离或LLW设施费用和运营费用或增加77万美元/m3这样[14]在汉福特场址以处理估计的13%场址槽贮废物DOE已经考虑了对阶段I-B的固定费用估计槽贮LLWºÍ²ÛÖüHLW½«·Ö±ðµØ´¦Àí¼ÙÈçÄÆŨ¶ÈΪ4 mol/L而HLW泥浆将含约245吨氧化物或不溶材料重量则泥浆约有1225吨假定比重为1.30ûÓÐÔ¤´¦ÀíÀ´·ÖÀëÉÏÇåÒººÍÄཬ»ò408m3ÔÚ5年期内处理两个单独的废物投标基于槽贮废物真实地整体流程已除去铯去放射性产生的产物包括在HLW流体中最好的和最后的固定价格投标已提交给DOE´«ËµÃ¿¸öͶ±êÒ²ÒÑÔö¼Óµ½¶àÓÚ50亿美元此时能够估计每处产生约408 m3 HLW玻璃即是• 8 •物在1998年6月从TWRS 私有化投标中推出[在1999年7月BNFL¼´ÔÊÐíDOE和BNFL工作组完成的工作范围和费用的一项研究因此假定玻璃化的投资费用和运营费用分别占约30%和70%¶Ô5年运营的每年投资费用折旧将是约2.4亿美元5年的运营费用将是约5.6亿美元对5年和25年运营的运营费用固定为5.6亿美元/年对于25年运营4800万美元 5.6亿美元即年总计6.08亿美元这意味着私有化整治费用将包括投资利息和为总费用一部分的边际利润率两者私有化合同资金是69亿美元TWRS阶段I私人投资的某些高费用部分包括大量LLW的结果在汉福特将是显著的费用因素或∗意味着对TWRS阶段I的私营化整治投标可能到达13亿美元之多橡树岭场址已启动了一个处理MVST废物的私营化计划在本文发表前可能就已开始因为估计费用多投标者规划的高费用显示它基于使用高温技术或使槽贮废物玻璃化的建议提出了较为可接受的费用估计一个DOE代表提出的估价对橡树岭RFP 的总固定费用将是约3.6亿美元产生约1000 m3 WIPP处置的RH-TRU产物DOE与Foster Wheeler公司就橡树岭场址的废物整治签订了合同被称为工艺过程当需要时使RCRA金属组分稳定化为硫化物包装此固体物料入可接受的处置容器内• 9 •的槽贮废物因为这两种槽贮废物业已表明性质相似此处提供了一个基础和鼓励DOE决定表3 对比基本情况的私有化情景和槽贮废物参数汉福特TWRS 橡树岭MVST超铀废物参数上清液2800吨钠600 m3 (4M)泥浆245吨氧化物750 m3泥浆HLW工艺玻璃化低温稳定化HLW产物980吨1000 m3LLW产物13000 m30估计费用40亿美元b1亿美元c(a)M=mol/L(b)此数字包括使高放废物玻璃化的费用和预计处理低放废物玻璃化的13亿美元作者也已核实RFP并假定每个部分是总数的50%´¦Àí²ÛÖü·ÏÎïÐγÉHLW玻璃至少将耗费200万美元/m3玻璃产物这个估计仅包括投资和运营费用例如对于汉福特槽贮废物而此处一个容器装10 m3废物因此且还不包括玻璃化的LLWÓëÈø·²ÄɺӴ¦ÀíÁ÷³ÌÏà±ÈÔÚ¼¼ÊõÉϸüÀ§ÄÑÀýÈç¶øLLW玻璃数量预计是5.53[17]如其比重为2.4,则将有2.31Õ⽫ʹ·ÑÓø½¼Ó230亿美元之多所有汉福特槽贮废物整个处理过程的整体费用可能是430亿到630亿美元对全部环境管理费用应当与最近DOE• 10 •1997年到2070年估计的503亿美元相比较该处DOE估计总环境管理费用此时还没有真实的费用估计于是可以确定此HLW部分的固定费用接着对HLW部分进行玻璃化[19]因此如按200万美元/ m3估计干燥-包装工艺应用于同样HLW部分将产生600 m3产物总费用约为6000万美元对10000 m3产物估计总费用将是10亿美元m3亿美元亿美元玻璃化10000到20000310万美元/ m3²£Á§»¯5000180 250汉福特60个贮槽预处理和玻璃化1100 22 0爱达荷b所有槽贮废物干燥-包装6000 616加预处理费用萨凡纳河所有贮槽该合同处理在ORNL处的MVST槽贮废物没真实的预处理费用直到熔炉更换 3.5年运营分期偿还投资费增加到490万美元/ m39 槽贮废物处置方案每个美国公民都是一个利益相关者• 11 •了税因此全体公民也是利益相关者等于国防场址的当地居民这是最民主的方法这是一个非常不可能实施的方案公民门将肯定能起作用去选择合适的工艺有两个方法明显地将导致槽贮废物整治的较少费用基于真实的危险以及使用开发的和证实了的工艺第二个方法将实施用较少费用的低温转化工艺来处理槽贮废物为可接受的LLW和HLW形式或者情景真实地计划整治预算强烈建议以便用较少耗费而又能导致废物产物满足暂时贮存或在设计的国家处置库中最终处置的要求稳定的废物将直接地送去尤卡山处置使其符合DOE为尤卡山制定的废物接收准则11 爱达荷场址DOE资助桑迪亚国家实验室开展一项研究研究的结论是不管废物体的牢固性怎样这与商用反应堆乏燃料保持放射性核素的特性评估相一致爱达荷煅烧了的废物是能直接处置的煅烧爱达荷废物制成的氧化物材料可以直接地压实或约5000 m3´Ó¶øÐγɿɰ²È«´¦ÖõķÏÎïÌ嵫ҪÆúÖÃTRUEX¼ÙÈç²£Á§»¯²»ÐèÒª¹ÌÌå·ÏÎïÄÜѹʵµ½Ô¼1000 m3并放在不锈钢容器中去处置对这种废物处理场景私营化合同的总费用可能是少于10亿美元表4• 12 •12 汉福特场址在汉福特场址不回取槽内容物就对贮槽进行就地永久稳定化可能需要有关可接受的已证实的就地稳定槽贮内容物的工艺的技术特征就地整治和封闭一个包括其内容物的贮槽的费用将大约是整治和封闭一个贮槽的费用空或10 m3´Ó°üÀ¨ÕæʵΣÏյĹ۵㿴»ùÓÚÕâЩÑо¿×öÕûÖξö¶¨¼û±í4ÕæʵµØ·ÑÓýÚÊ¡½«ÓëÖü²ÛÖзÏÎïµÄÁ¿³É±ÈÀý·ÖÀë60个汉福特贮槽的可溶组分为LLW废物流体此废物进料然后被处理为约12000吨或5000 m3玻璃化HLW产物压缩约3000吨废物为比重1.0或更大的产物来代替玻璃化工艺技术压缩了的HLW废物体能放置于钢容器内以便处置假如DOE决定使用低-温技术而不玻璃化来处理汉福特LLW´¦ÀíÕâЩ60个汉福特废物贮槽的整体流程亿美元估计总成本为30因为费用太多只要有关的危险是可接受的将是就地稳定化和封闭包含其内容物的贮槽大概会部署能产出可接受的安全废物体的低温工艺需要重新评价和修订废物可接受的标准以使真实的废物标准大致等于乏燃料可接受的标准国会应对DOE继续整治放射性废物贮槽拒付专款倾向于同时严格的科学考虑和提供玻璃化以及低温和低技术整治废物贮槽可供选择方法比较的一个起点• 13 •理建立一个费用基础提出附加信息参考文献[1]“Tanks Focus Area Annual Report, 1997,” DOE/EM-0360, U. S. Department ofEnergy (1997)[2]T. J. ABRAHAM, personal Communication, M-4 Corporation (1997-1998).[3]“Systems Requirements Review Hanford Tank Waste Remediation System” (A pril.1995).[4]“Tanks Focus Area (TFA) Multi-Year Program Plan” (1998).[5] C. C. NEWTON, “Modern Alchemy: Solidifying High-Level Nuclear Waste,”Radwaste, 4, 42 (July 1997).[6]M. RAWLINGS, Private Communication, West Valley Demonstration Plant (1998).[7]Hanford Site Request for Proposals, DOE-RFP05-98OR22516 (1996).[8]Viability Assessment of a Repository at Yucca Mountain,” DOE/RW-0508, U. S.Department of Energy (1998).[9]“Waste Acceptance Criteria for the Waste Isolation Pilot Plant,” DOE/WIPP-096, Rev.5, U. S. Department of Energy (April. 1986).[10]Alternative Waste Form Peer Review Panel, “The Evaluation and Review ofAlternative Waste Forms for Immobilization of High-Level Radioactive Wastes,”DOE/TIC-11472, U. S. Department of Energy (1981).[11]R. 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