2016年起,台電更曾多次向經濟部報告將學習瑞典處理核廢料的模式來進行台灣的核廢料最終處置計劃,但一直沒看到什麼實質的績效。這要解析瑞典系統設計的中心思想,再對照台灣的現實狀況,就能明瞭我們面對的是什麼樣的問題。

一個高階核廢料地質終極處置場,是由核廢料的包裝,處置場的鑽探、開挖等工程上的設計,以及其所處的地層岩體,共同組成的多重屏障。這個多重屏障可分成兩組:近場屏障(Near Field Barriers)與遠場屏障(Far Field Barriers)。近場指的是人類能做的工程屏障系統 EBS(Engineered Barrier System),包括核廢料包裝、充填材料、密封材料、以及會受工程影響而產生物理或化學變化的周邊岩體。遠場屏障(Far Field Barriers)就是圍繞著近場區的自然環境圍岩(Host Rock)[1]。

一般而言,圍岩是所有屏障中最重要的阻隔環節[2],所以高階核廢料地質終極處置場的尋址,首要的就是找到具有能封阻放射性核種向外擴散的岩層。具這種能力的岩層,以黏土礦物所形成的岩石為首選,它的不透水性能將核種經地下水遷移的影響力降到最低,譬如美國尤卡達山(Yucca Mountain)的凝灰岩,或是法國東部的Callovo-Oxfordian(COx)黏土層,瑞士西北部的Opalinus黏土層等等。

瑞典所在的斯堪的納維亞半島整塊地質皆為花崗岩,因為整個波羅的盾地都沒有什麼以黏土礦物為主體的岩層,所以瑞典國境內並沒有很適合當遠場屏障的圍岩。因此瑞典的發展是以設計出一個能防護廢核燃料棒容器(KBS-3 Canister,以下簡稱「KBS-3容器」)一百萬年不會破損的工程屏障系統(Engineered Barrier System)為目標[6],要打造出這樣的工程屏障系統,需要場區有特殊天然條件的物理與化學特性,以及在工法上有對應的特殊設計與施作才行。在此將瑞典的工程屏障系統設計說明如下:

一、瑞典的地震、斷層活動不足以破壞KBS-3容器

整個波羅的地盾地質上都非常穩定,它的主體是20億年前生成的花岡岩,現在瑞典的地表平原是六憶年前形成的,而這6億年來都沒有發生過什麼地質活動。瑞典的地震也非常少且幾乎沒有規模會超過芮氏4.0的,地震會造成的岩層錯動也全都發生在古斷層面上,錯動位移大都限於數公分之內,且都是沿著6億年前的古斷層面上。

瑞典與芬蘭所選的Sveconorwegian地區的花岡岩露出地表的面積約超過十個台灣島之大,所以只要把終極處置場設在沒有古斷層通過的花岡岩岩體中,就不會發生裝廢核燃料棒的KBS-3容器被地震波的能量打壞的事件。

二、瑞典的地下水不足以腐蝕KBS-3容器至幅射物外洩

在瑞典南部有個產能曾高達全球三分之二的大銅礦——法倫銅礦區(Falun Mine),這個熱液礦床大約是20億年前生成的,也就是說這20億年來Sveconorwegian地區花岡岩體的地下水中銅離子的含量一直是飽和的,所以才會大量生成多種含銅礦物,如膽礬(Chalcanthite)、黃銅礦(Chalcopyrite)、赤銅礦(Cuprite)等。 KBS-3 Canister容器的外殻用的是5公分厚的無氧含磷銅(CuOFP),它不但能抵擋區域裡銅飽和地下水的腐蝕,同時也能降低因氫脆(Hydrogen embrittlement)而產生裂縫。

三、KBS-3容器具備承受圍岩岩壓的強度

一般以圍岩屏障為主要圍阻放射性物質的地質終極處置設計中,廢核燃料棒容器內部的力學強度不是很重要,它們只要做到把廢核燃料棒護送進地質終極處置場裡封好,就完成階段性任務了,接下來放射性核種不會擴散到外界去是圍岩屏障(Far Field Barriers)會做好的工作,因為圍岩有黏土礦物做為屏障,既「可阻絕與地下水的接觸且具捕捉各種重金屬核種之能力」。

圖一就是原子能委員會核能研究所技轉自美國的NAC公司的原廠設計,廢核燃料棒容器內部隔離廢核燃料棒的隔板相當薄,因為只要能把廢核燃料棒容器埋設進孔位回填封起來,它後來何時發生破裂損毀都是沒有關係的。

圖一:原子能委員會核能研究所技轉自美國的NAC公司原廠所設計的MAGNASTOR。取自NAC International官網
圖一:原子能委員會核能研究所技轉自美國的NAC公司原廠所設計的MAGNASTOR。取自NAC International官網

但瑞典的系統就完全不一樣了,因為他們的終極處置系統裡沒有含大量黏土礦物「可阻絕與地下水的接觸且具捕捉各種重金屬核種之能力」的圍岩,所以KBS-3容器在埋到地下深處後必需能承受上覆岩體的重量所帶來的壓力,就像潛艦若潛超過設計深度會被水壓壓扁是同樣的道理。

因此瑞典的KBS-3容器把內筒設計成一個有孔位的實心金屬圓柱體,這樣在送進花岡岩質的地質終極處置場裡封起來後,才能在力學上和圍岩融為一體,各種作用的應力都能和它所緊臨的花岡岩體均勻承受。

圖二:瑞士SKB公司設計的KBS-3容器。取自維基百科KBS-3
圖二:瑞士SKB公司設計的KBS-3容器。取自維基百科KBS-3

台灣的處境

在了解了瑞典的設計概念後,我們看看台灣有能向瑞典借鏡的地方嗎?

首先,看力學上的區域穩定性,也就是地震、斷層活動的衝擊程度。瑞典六億年來幾乎都沒芮氏4.0以上的地震,因為地震又少又弱,而地震儀間的距離相對都非常遠,所以很難取得研判未來大地應力主導的斷層型態會是正斷層、逆斷層、或是平移斷層的數據,換句話說就是根本不用考慮地震帶來的威脅。而台灣在1981至2020 的40年中,芮氏5.0以上的地震接近一千次(圖三)。

圖三:台灣1981/01/01至2020/12/31芮氏5.0以上的地震。取自中央氣象局
圖三:台灣1981/01/01至2020/12/31芮氏5.0以上的地震。取自中央氣象局

而花岡岩岩體在台灣這樣的地震活動中,是一樣會產生破裂甚至發生斷層錯動位移的(圖四),所以在力學的穩定性上台灣的花岡岩都不具備只靠工程屏障做高階核廢料地質終極處置場的環境。

譬如1986年11月15日,花蓮東方約20公里的海底發生地震,一百多公里外的台北巿復興南路裕台大樓、基隆路松南分局大樓等,發生結構樑柱斷裂成為危樓。這只是震波的能量衝擊造成的,並不是在台北巿發生了斷層錯動,而它們和震央的距離大致和台灣島的寛度差不多,全台灣的岩體都一直在受著這樣的地震波衝擊的,而瑞典的設計並沒有探討過像台灣這麼頻繁強度又高的地震區是否能應用。

圖四:宜蘭縣東澳源頭山花岡片麻岩落石,其中密佈著多個方向的小斷層與裂縫。賴發奎提供
圖四:宜蘭縣東澳源頭山花岡片麻岩落石,其中密佈著多個方向的小斷層與裂縫。賴發奎提供

其次,看地下水對廢核燃料棒容器的腐蝕性,台灣的花岡岩/片麻岩都沒有任何銅礦,所以若台灣想在花岡岩/片麻岩中使用瑞典設計的KBS-3容器,圍岩對它的無氧含磷銅(CuOFP)外殻並沒有不受或降低化學腐蝕力的保護。

因此,筆者認為台灣沒有借助瑞典「工程屏障系統」的空間,因為他們設計所對應的需求特性台灣都沒有,拿瑞典的設計試著要硬往台灣套用,實在是走上了錯誤的方向,不該把資源浪費在毫無機會的地方。

參考文獻: [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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