在深层岩石中,卤水主要位于岩石的裂缝和孔隙中,虽然占岩体体积百分之几,但彼此连通。而且这些卤水中的压力往往是静水压力,也就是说,每10米深大约一百帕(约一个大气压),比静岩压力通常要大两到三倍。
石油和天然气地质学家可能会说,这些卤水是“停滞的”,但这只表示在十年时间的尺度上所有运动都可以看作是缓慢的。
但人类安全要求的时间尺度更长,掩埋核废料必须隔离长达一百万年。因此,即使用标准方法无法检测到的每年1厘米微小流速,在一百万年尺度上也可以达到10公里。
传统的深部地质安全分析是通过测量岩石的渗透性,估算“驱动”温度、压力和盐度梯度来计算逃逸时间的。该模型还包括未被发现的地震断层和未来可能形成的新断层,这些断层可能会沿着更高的地表渗透路径形成一定范围区域。
2、强隔离理论
没有什么比测量更加有用:有没有可能观察到超微卤水流速?
在过去几年中,已经开发出了一些方法,可以对水的停滞效果做出很好的估算。地质学家已经证明,世界上有一些地方的深层卤水几乎没有移动——许多是在过去150万年里,有些是在数亿年前。
对于夹带水分停滞静止超过十万年的形成物,我们可以称之为“强隔离”。虽然对于核废料储存来说,没有必要进行强隔离,但强隔离的存在让人们相信,废料存储也有可能不会通过卤水流泄露到地表。
深层卤水的向上流动通常是由对流驱动形成的,而对流驱动与温度梯度、地形和应力变化关系密切。
来自较深地层热水比上层水密度低,深层水就会像气球一样缓慢上升,直到与上面岩石接触并冷却。然后,它会来回流动,被重新加热,然后再上升。
原则上,这个过程可能会将溶解的放射性废物带到含水层和生物圈。但是这样的对流单元也需要一定的要求——在强隔离中,由于盐度引起的密度增加必须大于由于温度引起的密度减少。
3、测量
新的理论可以使我们能够测量地下水的停滞以及停滞的时间。最好的指标之一是氯-36——一种半衰期为30万年的放射性同位素。
氯-36是由岩层中的天然铀和钍在地下产生的。由于铀的半衰期很长(铀-238和钍-232的半衰期分别为45亿年和140亿年),铀的含量在10万到几百万年之间是恒定的。
α衰变释放中子,氯-35吸收中子以恒定速率产生氯-36。因此,氯-36浓度会随着时间增长不断升高。
几十万年后,氯-36的衰变速率与其产生速率大致相同,因此可以计算出稳定状态(“长期平衡”)。并且对于不同的岩石混合物,过程的差异也相当明显。如果测得的氯-36水平符合长期平衡,那么氯-36至少有150万年没有与地表水混合。
基底岩石中氯-36的长期平衡可以看作为与上层的隔离,因为如果卤水移动,氯-36将不会达到其长期平衡浓度。
有一个简单的规则:如果氯-36的水平是长期平衡水平的一半,那么水已经停滞了大约一个半衰期,即大约30万年。如果它是长期平衡水平的75%,那么它已经停滞了两个半衰期,即大约60万年。
测量氯-36/氯-35比值最灵敏、最精确的方法是加速器质谱法。
4、其他方法
以下是测量卤水年龄的其他方法:
氦-4
铀和钍衰变产生的大部分α粒子会停留在岩石中,变成氦原子。氦原子可以变成气体逸出,也可以被卤水带走。如果氦积聚起来,则就是一种隔离层效果。
德国对氦的测量表明,氦的隔离年限可以超过1亿年。
氖-21
氖是一种稀有元素,在岩石中,α粒子撞击氧和氟原子核产生氖。氖的性质比较稳定,因此一个区域中的氖高于自然水平(0.27%)就表明这个区域稳定性很强。
加拿大的研究表明,盆地中的卤水停滞可以超过10亿年。
碘-129
这种放射性同位素半衰期为1600万年,是铀-238自发裂变产生的。
根据已知的裂变速率,我们可以用碘-129的丰度来估算隔离年限。与氯-36一样,地下深处的碘-129在产生和衰变之间最终会达到长期平衡。因为它的半衰期比氯-36长得多,碘-129可以提供关于卤水隔离数千万到数亿年间的信息。
在测定范围较短的时候,碳-14(5730年半衰期)可能有用。氪-81(22.9万年半衰期)在大气中产生,如果在地层深处测量到它的存在,可能表明地表水在向下移动。其他同位素,包括氩和氙,也可以提供更多相关信息。
另一个问题是未知地震断层。强隔离已经证明地震断层问题并不太重要。如果这些断层在一百万年内没有造成地下水混合,那么它们在未来也不太可能发生渗流。
如果地下水已经达到或接近长期平衡,那么在150万年或更长的时间里,这些水将一直处于隔离状态——不仅地震断层影响不了,甚至还包括气候变化(有可能改变水压分布,引发冰川冲刷地表),上一次冰河时代还是在20000年前。
这种方法确实只测量氯-36的隔离度,而不测量含氯-36的水的隔离度。如果氯与当地的岩石相互作用,它的迁移速度就会减慢。事实上,这种互动一般被认为很轻微。
但更重要的是,与水流速相比,氯-36的迁移与核废料处理相关度更高。
氯-36与碘-129是核废料中两种寿命较长的同位素,在废料中浓度高,半衰期长,对后代构成的威胁也更大。
5、最后的思考
考虑强隔离标准地点,可以通过计算机模型进行评估,评估中可以不完全依赖流体流动和放射性核素迁移情况。这种评估模型有一定的价值,但通过现场的测量计算也可以更好地证明其安全性。
基于以上所述的强隔离标准,在全国,乃至全世界一定会有理想储存地点。
那么我们就应该从这些地点中挑选出最好的,然后把所有核废料都填埋到那里吗?
不一定!
“最佳”不仅仅是地质学上,还包括周边社区支持和交通便捷程度。
钻孔储存也是核废料临时储存的一种方法,甚至有专家表示,这种方法可以替代乏燃料水池和干式贮存法。
实际上,从存储钻孔中提取核废料也并不困难,这在钻井行业根本不是问题。
从经济角度来看,如果废物储存时间超过15年,钻孔储存方案比地面储存方案更划算。如果存储时间超过25年后,钻孔储存是地面储存成本的一半。
强隔离的基本概念比较容易理解。其原理正如放射性碳在年代测定法上已经成功应用一样,放射性氯和其他方法也可用于测量深部卤水年龄。
如果卤水在过去的一百万年里一直停滞,那么在接下来的一百万年里,它们不太可能把任何废物带到地表。
因此,强隔离可能是我们保证核废料储存安全性的最佳指标。