مقبره‌سازی پسماندهای هسته‌ای با بهره‌گیری از تکنیک‌های حفاری نفت در ایالات متحده
ایالات متحده برای مدت‌ها با مسأله‌ای پیچیده رو به رو بوده است: نحوه مدیریت زباله‌های هسته‌ای مصرف‌شده که باید سال‌ها از انسان‌ها و محیط زیست محافظت شوند. اکنون، یک استارتاپ آمریکایی به دنبال استفاده از تکنولوژی‌ای است که صنعت نفت و گاز به خوبی با آن آشناست: حفاری عمیق و تغییر جهت چاه از حالت عمودی به افقی.
شرکت دیپ ایزولیشن، با همکاری هالیبرتون، برنامه‌ریزی کرده است تا در نزدیکی کامرون در تگزاس سیستمی را تست کند که می‌تواند در آینده به‌عنوان مکان دفن زباله‌های هسته‌ای در عمق زمین استفاده شود. کمیسیون راه‌آهن تگزاس که به‌دلیل نامش در واقع نهاد تنظیم‌گر صنایع نفت و گاز این ایالت محسوب می‌شود، مجوز حفاری آزمایشی برای این پروژه را صادر کرده است.
مهم‌ترین نکته این است که آزمایش انجام‌شده در تگزاس هیچ ماده رادیواکتیوی را شامل نخواهد شد. دیپ ایزولیشن هدف دارد تا به صورت عملی نشان دهد که می‌تواند چاه مورد نظر را حفر کند و کپسول‌های خاص را به اعماق زمین منتقل کرده و در صورت لزوم آنها را مجدداً بیرون آورد. وزارت انرژی ایالات متحده همچنین در توضیحات خود، آزمایش قرار دادن و بازیابی کپسول‌ها را بخشی از روند توسعه تکنولوژی اعلام کرده است.
از چاه نفت تا مخزن زباله هسته‌ای
طرح اولیه از نظر مهندسی نسبتاً ساده به نظر می‌رسد. ابتدا حفاری به صورت عمودی شروع شده و تا عمق قابل توجهی ادامه می‌یابد. سپس، مسیر چاه به‌طور تدریجی با یک قوس تغییر می‌کند تا در داخل یک لایه سنگی مناسب به شکل تقریبی افقی درآید.
آزمایش تگزاس هیچ ماده رادیواکتیوی ندارد و فقط بر امکان انتقال کپسول‌ها به بخش افقی چاه و بازیابی دوباره آنها تمرکز دارد.
دیپ ایزولیشن مدعی است که بخش نهایی چاه می‌تواند در عمق یک تا سه کیلومتری زیر زمین قرار داشته باشد، جایی که سطح آن فراتر از بسیاری از منابع آب زیرزمینی قابل استفاده انسان است. هدف این است که زباله‌ها در سازندهای سنگی قدیمی و پایدار محصور شوند و فاصله زیادی از سطح زمین و آب‌های آشامیدنی داشته باشند.
روش مورد نظر از فناوری «حفاری جهت‌دار» که صنعت نفت و گاز برای دستیابی به ذخایر زیرزمینی به کار می‌برد، بهره می‌برد. حفار می‌تواند پس از رسیدن به عمق هدف، جهت مته را تغییر داده و صدها متر یا حتی کیلومترها در یک لایه زمین‌شناسی پیشروی کند.
این توانایی به وضوح توجه دیپ ایزولیشن را جلب کرده است. به‌جای ایجاد مجموعه‌ای عظیم از تونل‌های زیرزمینی که نیازمند ورود انسان و تجهیزات است، می‌توان چاهی باریک حفر کرد و کپسول‌های محتوی پسماند را از سطح زمین به محل نهایی منتقل کرد.
کپسول‌های هسته‌ای چگونه درون زمین قرار می‌گیرند؟
در طرح دیپ ایزولیشن، سوخت مصرف‌شده در ابتدا در کپسول‌های مخصوص فلزی قرار می‌گیرد. این کپسول‌ها از طریق بخش عمودی چاه به عمق فرستاده می‌شوند و پس از عبور از قسمت منحنی، در انتهای بخش تقریباً افقی جای می‌گیرند.
قرار دادن کپسول‌ها به‌صورت افقی مزیت مکانیکی دیگری نیز دارد: فشار وزن کپسول‌ها روی یکدیگر وارد نمی‌شود. در چاه‌های کاملاً عمودی، اگر کپسول‌ها همپوشانی داشته باشند، اجزای پایینی باید فشار فراوانی را تحمل کنند؛ اما در حالت افقی، کپسول‌ها به صورت پشت سر هم قرار می‌گیرند.
در این طرح جدید، زباله‌های هسته‌ای به‌جای قرارگیری در تونل‌های بزرگ زیرزمینی، در داخل کپسول‌هایی جابه‌جا می‌شوند که از طریق چاه‌های باریک به لایه‌های عمیق و پایدار سنگی منتقل می‌شود.
دیپ ایزولیشن بیان می‌کند که یک بخش افقی به طول تقریبی ۱٫۵ کیلومتر قادر است معادل حدود شش سال سوخت مصرف‌شده از یک راکتور آب جوشان یا حدود ده سال سوخت مصرف‌شده از یک راکتور آب تحت فشار را جای دهد. این اعداد برآوردهای اولیه خود شرکت برای طرح پیشنهادیش است و ظرفیت واقعی هر مخزن در نهایت به نوع سوخت، طراحی کپسول و شرایط زمین‌شناسی بستگی خواهد داشت.
زمانی که سوخت هسته‌ای از رآکتور خارج می‌شود، دیگر برای تولید برق قابل استفاده نیست، اما به شدت رادیواکتیو بوده و گرما تولید می‌کند. به همین دلیل، نمی‌توان آن را به‌سادگی مانند زباله‌های عادی دور انداخت.
سوخت تازه پس از خروج معمولاً به مدت چند سال در استخرهای خاص نیروگاه نگهداری می‌شود تا دما و شدت تابش آن کاهش یابد. سپس، این امکان فراهم می‌شود که آن را به محفظه‌های بزرگ فلزی و بتنی منتقل کنند. این دو روش، یعنی ذخیره‌سازی در استخرهای سوخت مصرف‌شده و ذخیره‌سازی خشک، روش‌های رایج نگهداری موقت در ایالات متحده هستند. اما مشکل این‌جاست که وضعیت “موقت” این ذخیره‌سازی در ایالات متحده به مدت طولانی ادامه داشته است.
در اسناد بودجه‌ی وزارت انرژی ایالات متحده برای سال مالی ۲۰۲۶ اعلام شده که نیروگاه‌های تجاری این کشور تاکنون حدود ۹۵ هزار تن فلز سنگین تحت عنوان سوخت هسته‌ای مصرف‌شده تولید کرده‌اند. بخش بزرگی از این مواد هنوز در محل‌های نیروگاه‌ها باقی مانده و حتی در برخی مکان‌ها، خود نیروگاه‌ها سال‌هاست تعطیل شده، اما سوخت مصرف‌شده هنوز همان‌جا باقی مانده است. با ادامه‌ی فعالیت نیروگاه‌ها، این مقدار نیز هر سال افزایش می‌یابد.
زباله‌های هسته‌ای تا چه مدت زیر زمین باقی خواهند ماند؟
یکی از جنبه‌هایی که معمولاً در توضیحات این نوع پروژه‌ها موجب سردرگمی می‌شود، زمان‌بندی است. هدف این نیست که کپسول‌ها تنها چند دهه در زیر زمین باقی بمانند. برخی از مواد رادیواکتیو موجود در سوخت مصرف‌شده برای مدتی بسیار طولانی خطرناک باقی می‌مانند و مدیریت نهایی آنها باید در بازه‌های زمانی از چند هزار سال تا صدها هزار سال انجام پذیرد. کمیسیون تنظیم مقررات هسته‌ای ایالات متحده نیز بر این نکته تأکید دارد که پسماندهای سطح‌بالا باید به شکلی دفع شوند که برای یک مدت طولانی از انسان‌ها و طبیعت دور نگه داشته شوند.
هدف طراحی مخازن عمیق حفظ امنیت پسماندهای هسته‌ای برای هزاران تا صدها هزار سال است.
فلسفه پشت مخازن زمین‌شناختی عمیق نیز دقیقاً همین ایده است: به‌جای وابستگی همیشگی به ساختارها، تجهیزات، نگهبانان و سیستم‌های انسانی در سطح زمین، باید با استفاده از چندین مانع از جمله کپسول، مواد آب‌بندی و سنگ‌های اطراف، حرکات رادیواکتیو را محدود کرد. البته، این به معنای اثبات ایمنی طرح دیپ ایزولیشن نیست. خود شرکت نیز محاسبات ایمنی اولیه منتشرشده برای مخازن افقی را «مقدماتی» ارزیابی کرده و عنوان کرده که طراحی نهایی باید بر اساس شرایط زمین‌شناسی محل فعالیت مشخص شود.
در مرحله بهره‌برداری، طراحی به گونه‌ای است که کپسول‌ها می‌توانند دوباره از چاه خارج شوند. این نکته برای آزمایش فناوری و همچنین برای دوره‌ای که مخزن هنوز بسته نهایی نشده مهم است. وزارت انرژی ایالات متحده نیز در برنامه‌های پژوهشی خود مرتبط با دیپ ایزولیشن به‌صراحت آزمایش «قرار دادن و بازیابی» کپسول‌ها را پیش‌بینی کرده است.
اما نباید به‌این معنا برداشت شود که زباله‌ها با سهولت برای همیشه قابل برداشت هستند. در پایان، مخزن دائمی باید بسته و آب‌بندی شود. مقدار و مدت زمان امکان بازیابی مواد، جزئی از طراحی و مقررات هر پروژه واقعی خواهد بود.
حضور هالیبرتون بیشتر به استعداد این شرکت در حفاری زیرزمینی مربوط می‌شود تا به حوزه‌ی فناوری هسته‌ای. دیپ ایزولیشن اعلام کرده که هالیبرتون توانایی‌های خود در زمینه شناخت شرایط زیر سطحی، حفاری و ساخت چاه را برای این پروژه به کار خواهد گرفت. علاوه بر این، شرکت‌ها و نهادهای دیگری از صنعت هسته‌ای نیز در طراحی کپسول‌ها، انتقال مواد و تأمین ایمنی سیستم همکاری می‌کنند.
سامانه کپسولی دیپ ایزولیشن همچنین با همکاری مجموعه‌هایی همچون دانشگاه کالیفرنیا برکلی، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و ان‌ای‌سی اینترنشنال توسعه یافته و بخشی از تحقیقات آن با حمایت وزارت انرژی ایالات متحده صورت گرفته است.
چرا ایالات متحده تاکنون زباله‌های هسته‌ای خود را دفن نکرده است؟
سیاست رسمی ایالات متحده، دفن سوخت مصرف‌شده و پسماندهای هسته‌ای سطح‌بالا در نهایت در یک مخزن زمین‌شناختی عمیق به‌صورت دائمی است. با این حال، در حال حاضر هیچ مخزن دائمی عملیاتی و تأیید شده برای پذیرش سوخت مصرف‌شده نیروگاه‌های تجاری در این کشور وجود ندارد.
سال‌ها پیش، قرار بود کوه یوکا در ایالت نوادا به‌عنوان محل چنین مخزنی برگزیده شود. کنگره در سال ۱۹۸۷ این مکان را برای بررسی بیشتر انتخاب کرد و وزارت انرژی سال‌ها بر روی آن مطالعه کرد، اما این پروژه به‌دلیل اختلاف‌های سیاسی، حقوقی و محلی بسیار با چالش روبرو شده و همچنان به مخزن عملیاتی تبدیل نشده است. قانون فعلی ایالات متحده همچنان چارچوب مشخصی برای دفن دائمی پسماندهای هسته‌ای دارد و نهادهایی همچون وزارت انرژی، آژانس حفاظت از محیط‌زیست و کمیسیون تنظیم مقررات هسته‌ای هر کدام در فرآیند احداث و صدور مجوز چنین مخزنی دخیل هستند.
از این‌رو، مجوزی که دیپ ایزولیشن در تگزاس دریافت کرده، مجوز دفن زباله‌های هسته‌ای نیست؛ بلکه تنها اجازه حفاری برای یک آزمایش غیررادیواکتیو را شامل می‌شود. حتی اگر این شرکت در آزمایش‌های مهندسی خود موفق شود، به‌کارگیری واقعی این روش برای سوخت مصرف‌شده نیازمند ارزیابی‌های جامع زمین‌شناختی، زیست‌محیطی و ایمنی و نیز اخذ مجوزهای هسته‌ای است.
ایده‌ای قدیمی با ابزارهای جدید
دفع عمیق زباله‌های هسته‌ای یک ایده تازه نیست و سال‌هاست که مخازن زمین‌شناختی عمیق به‌عنوان یکی از گزینه‌های اصلی مدیریت دائمی پسماندهای سطح‌بالا مطرح می‌شود.
این پیشنهاد دیپ ایزولیشن بیشتر به شکل دسترسی به این عمق‌ها مرتبط می‌شود. مخازن سنتی معمولاً به صورت معادن زیرزمینی بزرگ طراحی می‌شوند و شامل شبکه‌ای از تونل‌ها و فضاهای قابل دسترسی برای انسان‌ها هستند. در حالی که روش دیپ ایزولیشن به‌جای نیاز به چنین مجموعه‌ای، از چاه‌های باریک حفاری شده از سطح زمین بهره می‌برد.
تفاوت عمده طرح دیپ ایزولیشن با مخازن متعارف، به‌کارگیری چاه‌های باریک و عمیق به‌جای ایجاد یک شبکه بزرگ از تونل‌های زیرزمینی است.
روش نوین در صورت اجرایی شدن می‌تواند روند ایجاد مخازن را تسهیل کرده و نیاز به حضور افراد در عمق زمین را کاهش دهد. با این حال، اثبات عملکرد آن در بازه‌های زمانی بسیار طولانی، انتخاب مکان مناسب، آب‌بندی مطمئن چاه‌ها، رفتار کپسول‌ها در طول زمان‌های طولانی و اخذ مجوزهای لازم همگی مسائلی هستند که می‌بایست برای هر پروژه واقعی به دقت مورد بررسی قرار گیرند.
آزمایش تگزاس قرار نیست به‌عنوان راه‌حل نهایی مشکل زباله‌های هسته‌ای ایالات متحده محسوب شود. هدف فعلی به مراتب ساده‌تر است: نشان دادن این که فناوری حفاری عمیق و افقی در صنعت نفت و گاز می‌تواند کپسول‌های مورد نظر را به اعماق زمین منتقل کرده، آنها را در بخش افقی چاه قرار دهد و در صورت نیاز دوباره به بخش سطحی بازگرداند.
اگر این آزمایش با موفقیت انجام شود، مرحله‌ی سخت‌تری آغاز خواهد شد: اثبات اینکه این روش، در عمل می‌تواند به یک مخزن دائمی، ایمن و پذیرفته‌شده برای نگهداری زباله‌های هسته‌ای تبدیل گردد؛ مخزنی که هم از نظر زمین‌شناسی و مهندسی قابل اعتماد باشد و هم بر اساس مقررات قانونی و پذیرش عمومی به تصویب برسد.
