2016年起,台电更曾多次向经济部报告将学习瑞典处理核废料的模式来进行台湾的核废料最终处置计划,但一直没看到什么实质的绩效。这要解析瑞典系统设计的中心思想,再对照台湾的现实状况,就能明了我们面对的是什么样的问题。
一个高阶核废料地质终极处置场,是由核废料的包装,处置场的钻探、开挖等工程上的设计,以及其所处的地层岩体,共同组成的多重屏障。这个多重屏障可分成两组:近场屏障(Near Field Barriers)与远场屏障(Far Field Barriers)。近场指的是人类能做的工程屏障系统 EBS(Engineered Barrier System),包括核废料包装、充填材料、密封材料、以及会受工程影响而产生物理或化学变化的周边岩体。远场屏障(Far Field Barriers)就是围绕著近场区的自然环境围岩(Host Rock)[1]。
一般而言,围岩是所有屏障中最重要的阻隔环节[2],所以高阶核废料地质终极处置场的寻址,首要的就是找到具有能封阻放射性核种向外扩散的岩层。具这种能力的岩层,以黏土矿物所形成的岩石为首选,它的不透水性能将核种经地下水迁移的影响力降到最低,譬如美国尤卡达山(Yucca Mountain)的凝灰岩,或是法国东部的Callovo-Oxfordian(COx)黏土层,瑞士西北部的Opalinus黏土层等等。
瑞典所在的斯堪的纳维亚半岛整块地质皆为花岗岩,因为整个波罗的盾地都没有什么以黏土矿物为主体的岩层,所以瑞典国境内并没有很适合当远场屏障的围岩。因此瑞典的发展是以设计出一个能防护废核燃料棒容器(KBS-3 Canister,以下简称「KBS-3容器」)一百万年不会破损的工程屏障系统(Engineered Barrier System)为目标[6],要打造出这样的工程屏障系统,需要场区有特殊天然条件的物理与化学特性,以及在工法上有对应的特殊设计与施作才行。在此将瑞典的工程屏障系统设计说明如下:
一、瑞典的地震、断层活动不足以破坏KBS-3容器
整个波罗的地盾地质上都非常稳定,它的主体是20亿年前生成的花冈岩,现在瑞典的地表平原是六忆年前形成的,而这6亿年来都没有发生过什么地质活动。瑞典的地震也非常少且几乎没有规模会超过芮氏4.0的,地震会造成的岩层错动也全都发生在古断层面上,错动位移大都限于数公分之内,且都是沿著6亿年前的古断层面上。
瑞典与芬兰所选的Sveconorwegian地区的花冈岩露出地表的面积约超过十个台湾岛之大,所以只要把终极处置场设在没有古断层通过的花冈岩岩体中,就不会发生装废核燃料棒的KBS-3容器被地震波的能量打坏的事件。
二、瑞典的地下水不足以腐蚀KBS-3容器至幅射物外泄
在瑞典南部有个产能曾高达全球三分之二的大铜矿——法伦铜矿区(Falun Mine),这个热液矿床大约是20亿年前生成的,也就是说这20亿年来Sveconorwegian地区花冈岩体的地下水中铜离子的含量一直是饱和的,所以才会大量生成多种含铜矿物,如胆矾(Chalcanthite)、黄铜矿(Chalcopyrite)、赤铜矿(Cuprite)等。 KBS-3 Canister容器的外壳用的是5公分厚的无氧含磷铜(CuOFP),它不但能抵挡区域里铜饱和地下水的腐蚀,同时也能降低因氢脆(Hydrogen embrittlement)而产生裂缝。
三、KBS-3容器具备承受围岩岩压的强度
一般以围岩屏障为主要围阻放射性物质的地质终极处置设计中,废核燃料棒容器内部的力学强度不是很重要,它们只要做到把废核燃料棒护送进地质终极处置场里封好,就完成阶段性任务了,接下来放射性核种不会扩散到外界去是围岩屏障(Far Field Barriers)会做好的工作,因为围岩有黏土矿物做为屏障,既「可阻绝与地下水的接触且具捕捉各种重金属核种之能力」。
图一就是原子能委员会核能研究所技转自美国的NAC公司的原厂设计,废核燃料棒容器内部隔离废核燃料棒的隔板相当薄,因为只要能把废核燃料棒容器埋设进孔位回填封起来,它后来何时发生破裂损毁都是没有关系的。
但瑞典的系统就完全不一样了,因为他们的终极处置系统里没有含大量黏土矿物「可阻绝与地下水的接触且具捕捉各种重金属核种之能力」的围岩,所以KBS-3容器在埋到地下深处后必需能承受上覆岩体的重量所带来的压力,就像潜舰若潜超过设计深度会被水压压扁是同样的道理。
因此瑞典的KBS-3容器把内筒设计成一个有孔位的实心金属圆柱体,这样在送进花冈岩质的地质终极处置场里封起来后,才能在力学上和围岩融为一体,各种作用的应力都能和它所紧临的花冈岩体均匀承受。
台湾的处境
在了解了瑞典的设计概念后,我们看看台湾有能向瑞典借镜的地方吗?
首先,看力学上的区域稳定性,也就是地震、断层活动的冲击程度。瑞典六亿年来几乎都没芮氏4.0以上的地震,因为地震又少又弱,而地震仪间的距离相对都非常远,所以很难取得研判未来大地应力主导的断层型态会是正断层、逆断层、或是平移断层的数据,换句话说就是根本不用考虑地震带来的威胁。而台湾在1981至2020 的40年中,芮氏5.0以上的地震接近一千次(图三)。
而花冈岩岩体在台湾这样的地震活动中,是一样会产生破裂甚至发生断层错动位移的(图四),所以在力学的稳定性上台湾的花冈岩都不具备只靠工程屏障做高阶核废料地质终极处置场的环境。
譬如1986年11月15日,花莲东方约20公里的海底发生地震,一百多公里外的台北巿复兴南路裕台大楼、基隆路松南分局大楼等,发生结构梁柱断裂成为危楼。这只是震波的能量冲击造成的,并不是在台北巿发生了断层错动,而它们和震央的距离大致和台湾岛的寛度差不多,全台湾的岩体都一直在受著这样的地震波冲击的,而瑞典的设计并没有探讨过像台湾这么频繁强度又高的地震区是否能应用。
其次,看地下水对废核燃料棒容器的腐蚀性,台湾的花冈岩/片麻岩都没有任何铜矿,所以若台湾想在花冈岩/片麻岩中使用瑞典设计的KBS-3容器,围岩对它的无氧含磷铜(CuOFP)外壳并没有不受或降低化学腐蚀力的保护。
因此,笔者认为台湾没有借助瑞典「工程屏障系统」的空间,因为他们设计所对应的需求特性台湾都没有,拿瑞典的设计试著要硬往台湾套用,实在是走上了错误的方向,不该把资源浪费在毫无机会的地方。
参考文献: [1] Nuclear waste disposal: Understanding what happens underground. IAEA Bulletin, Summer 1985. [2] Scientific and Technical Basis for the Geological Disposal of Radioactive Wastes. International Atomic Energy Agency Technical Reports Series no. 413 (2003) [3] Repository Site Data Report for Unsaturated Tuff, Yucca Mountain, Nevada. NUFSG/CR--4110, TI86 003566 [4] Diffusion experiments in Callovo-Oxfordian Clay from the Bure site, France: 1 Experimental setup and data analyses. Clays in Natural & Engineered Barriers for Radioactive Waste Confinement (2007) [5] The Swiss High-Level Waste Programme: Status and Future Challenges. National Cooperative for the Disposal of Radioactive Waste (2006) [6] A Review of the Swedish KBS-3 Plan for Final Storage of Spent Nuclear Fuel. National Academy Press Washington, D. C. 1984.
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