核廃棄物および他の有害廃棄物の深層隔離

米国では、原子炉が総電力量の19パーセントを生成しており、この電力生成過程は、酸化ウランまたは混合酸化物燃料の形態の、高レベル放射性廃棄物を生成する。米国では毎年、商業炉によって高レベル廃棄物およそ1000立方メートル(6200bbl)が産出され、また、軍事行動によってさらなる物質が産出されている。ヨーロッパでは原子力発電に大きく投資されており、(例えば、フランスの電力の4分の3以上が原子炉によって生成されている。)世界各国では、経済成長を促進するために、積極的に原子力エネルギーを追求し始めている。

結果として、現在の核廃棄物の生成率は、およそ年間10000立方メートルであり、世界的に生成される放射性廃棄物の総量は、大幅に増加すると予想されている。しかしそれにもかかわらず、施設において、すなわち、廃棄物生成の源において、核廃棄物を処分する安全で信頼できる方法はない。この廃棄物は、原子炉からでる使用済み核燃料、使用済み核燃料の再処理からでる高レベル廃棄物、主に防衛計画からの超ウラン廃棄物、ウラン鉱石の採掘や粉砕で発生するウラン製錬廃さいが含まれているが、限定されるものではない。高レベル核廃棄物は現在、それが生成された原子炉で保存されている。検討されている処分のための唯一の重大な選択肢は、固い岩盤や粘土のような、透過性が低い地層に廃棄物を配置することである。放射性廃棄物処分の現在の取組は、問題がないわけではない。議会は、1万年の隔離期間を指定したが、わずかなこの時間でさえ、現在の貯蔵所の浅い深さにある廃棄物が、生物圏や人間の介在から隔離されたままでいることを保証することは困難である。

ラスベガス近郊の、地下300メートルの施設、ユッカマウンテンは、高レベル核廃棄物処理のための米国で唯一の選択肢である。この施設は20年におよび精査されており、さらに、500億ドルの支出の後でさえ、稼働可能となるのは最も早くて2017年である。議会やネバダ州その他からの政治的な反対により、さらなる遅れが生じる可能性がある。例えば、2011年度の連邦予算において、議会は施設開発の資金を提供しなかった。地下300メートルの深さにおかれた廃棄物が、1万年もの間、生物圏から隔離され続けることの実現可能性について大きな不確実性があり、そしてこの不確実性こそが、ユッカマウンテンへの反対の多くの根拠となっている。仮にユッカマウンテンが開いた場合、その容量はすでに配分されており、また、追加容量の選択肢も考慮されている。

永久的な処分所を見つけることに関与する政治は、最善の状況でも難しく、最悪の状況では扱いにくい。なぜなら、廃棄物はとても長い時間、放射性を保ち続けるため、この廃棄物が、永久的な処分施設へ向かう途中で、彼らの”裏庭”を通過すること、または、処分場としての彼らの”裏庭”の中にあることを望むもの者など誰もいないからだ。政治家や市民がこの問題を討論し続けているため、どの提案された永久処分解決法よりもおそらくはるかに安全でない方法で、廃棄物はこの施設に一時的に保存され続けている。例えば、原子炉は、水プールの中に廃棄物を一時的に保存している。東京電力の福島第一工場で電源と冷却システムを破壊した、日本東北での壊滅的な地震と津波は、この貯蔵実務が、どれほど脆弱で潜在的に危険かを実証している。

このため、要求は安全のために終了しており、施設において核廃棄物を処分し、1万年間の隔離を達成できる、信頼できる方法が、議会から要求されており、また他国から求められている。

本発明に係るシステムおよび方法は、重力によって掘られる水圧の亀裂において核廃棄物または有害廃棄物を格納することを含み、その過程は、本明細書で「重力破砕」と称されている。本開示の目的のために、環境産業では放射性廃棄物は”有害廃棄物”とは分類されていないが、原子力廃棄物又は放射性廃棄物は有害廃棄物と考えられる。この方法は、廃棄物を含む高密度流体を生成し、亀裂に高密度流体を流入し、自主的に伝播するのに十分な長さになるまで、亀裂を下方向に拡張する。亀裂は壮大な深さまで下方へ伝搬し続け、廃棄物は永久的に隔離される。

廃棄物と流体を混ぜ合わせ、水圧の亀裂にそれを注入することによる固形廃棄物の保管は、石油業界でよく知られている技術である。核廃棄物は、1960年代にオークリッジにて、水圧亀裂に注入された。この発明の本質は、周囲の岩石よりも重い破砕流体を使うという点で、従来の水圧破砕法の技術と異なる。この基本的な相違は、水圧の亀裂が(水平方向よりはむしろ)下方向へ伝搬でき、ポンプ圧送の代わりに重力によって廃棄物を運ぶことができるからである。

具体的には、核廃棄物および他の有害廃棄物の処理方法は、前もって定義した密度・温度・粘度の高密度流体またはスラリーを作るために、廃棄物と、水または流体と、加重材料と、を混ぜ合わせ、高密度流体またはスラリーが、前もって定義した深さの地層に侵入し、流体又はスラリーが固定化されるまで、地層を通過して下方に移動し続けるように前もって定義された圧力および/または割合で高密度流体またはスラリーを注入する、ステップを含んでいる。混合ステップの前に、廃棄物が固体形態であるならば、廃棄物は所定の大きさの粒子に粉砕することができる。加圧され混ぜ合わされた混合物は、岩盤構造物の亀裂を裂き広げる。この岩盤構造物は安定性があり、堆積岩と同様の火成岩および変成岩のような低透過性岩盤構造であることが好ましい。(初期では、亀裂の支持はなされない。)なぜなら、高密度流体は岩よりも大きい密度を有するため、(密度関係が変化するか、あるいは他の力学が下方への移動を阻止するまで)流体やスラリーは、重力によって下方へ移動する絶対的な傾向があり、地球表面のずっと下に残る。高密度流体は、水、油、ジェルまたは所望の粘性と密度を提供するのに適したどんな流体を含んでもよい。

その縦穴は好ましくは、核廃棄物またはその他の有害廃棄物が生成される施設または施設の上で掘削されるため、外部施設や処分施設へ、廃棄物を輸送する必要がなくなる。縦穴は、混合された流体、廃棄物、および加重材料を受け取るための作業ストリング又はチュービングと、パッカー装置(包装装置)と、所定の深さ又はそのあたりに配置される送り穴を有するセメント鋼ケーシングと、を備えている。所定の深さは約10,000〜30,000フィート(約30,000〜9,000メートル)の範囲内であることが好ましいが、それは岩の性質と掘削の制限に応じて浅くまたは深くすることができる。加重材料は、処分される初期廃棄物に重量を加えるために、他の核廃棄物(たとえば、ウランなどの放射性核種を含む)、他の有害廃棄物、またはビスマス、鉛または鉄のような金属であってもよい。地下で遭遇する温度及び圧力において液相である金属または合金は、加重材料として特に適している。

作業ストリングは、定期的なクリーニングや交換のためにとりはずされてもよい。水、廃棄物、および加重材料を混合するために使用される混合機は、圧力で混合物を縦穴内へ圧送するために使用される圧送装置(例えば、ポンピングトラック)と同様、遮蔽されているのが好ましい。

図1は、核廃棄物およびその他の有害廃棄物の処分のための本発明に係る方法の、好ましい実施形態のプロセスフロー図である。高密度流体は、亀裂に流入し(図2参照)、重力を介して下方に伝播し続ける(図3参照)。

図2は、図1の方法の実施の使用に適した縦穴である。流体を縦穴の側面に注入するのではなく縦穴の代替実施例は、基底部も含め、他の方法で流体を注入することが可能である。

図3は、高密度流体が亀裂に導かれ、自主的に広がるのに十分長くなるまで亀裂を下方向へ拡張する事について図1の高密度流体を図示する。亀裂は壮大な深さに下方向に伝播し続け、永久に廃棄物を隔離する。図示していないが、高密度流体は下方向へ伝搬し、その後、副水平貯蔵空間を作成する水平方向にカーブする。

水圧破砕は、液体で満たされた亀裂内の圧力が、亀裂の先端で材料を壊す際に引き起こされる。亀裂は進行し、流体は、新しく作成されたスペースを埋めるために前方に流れる。水圧破砕は一般的に、縦穴に流体を注入するために圧送機を使用することにより作られるが、これは決してただ一つの発生事例ではない。亀裂は包囲の岩よりも軽い液体で満たされているため、水圧破砕は地球の地殻を通って上方に成長するという地質学上の例がよく知られている。火山噴火を燃料をくべるための上方に伝搬するマグマで満たされる防壁は、重力による水圧破砕の伝播の一例である。

本発明に係るシステム及び方法は、廃棄物を含む高密度流体を亀裂に充填することによって水圧破砕を下降に伝搬することを含む。亀裂内の圧力が、岩の頑丈さや強さを超える応力強度を作るとき、伝播が発生する。図1〜3を参照すると、開いた掘削孔が作成され、そして基底部の圧力が亀裂を作るのに十分になるまで(図3のa)高密度流体で満たされる。同様の破砕過程は、泥重量があまりに大きくてバランスを失った掘削時に発生し、そして循環が失われ、掘削孔から次第に離れて成長する原因を引き起こす。流体は、亀裂に流入し、縦穴内の流体水位が低下する(図3のb)。しかしながら、亀裂は、縦穴内の流体レベルの低下率よりも速く進行することが予期されているので、亀裂の先端から縦穴内の流体柱の最上部までの全体の高さは長くなる。これは推進圧力を増加して、重力によって縦穴掘削内の流体が亀裂内へ排水するようにさらなる下方向へ伝搬を促進する(図3のc)。

すべての液体が縦穴から亀裂へ排出された後でさえ(図3のd)、亀裂の基底部での圧力の増加を引きおこしながらまた、継続的な下方への伝播を保障しながら、亀裂の垂直長さは、連続的に増大する。圧力分布は亀裂の下部は膨らんで開き、亀裂の上部は挟まって閉じることを引き起こす。亀裂が閉じるとき、流体の残留コーティングは取り残される、そしてこれは、亀裂内の流体の体積を減少させるであろう。最終的に、オリジナルの流体は掘削孔の基底部から大深度にいたるまで拡張しながら、亀裂の壁上に薄いコーティングをするように分散される。懸濁液(スラリー)の場合、岩内に液体が漏れたら、亀裂は支持されるかもしれない。

この過程は、縦穴内に追加の流体を投入することによって繰り返される。これは、初期のものの通り道をたどる新しい亀裂を作り出す(図3のe)。追加された流体は、最初の一群よりさらに大きな深さに達する。高密度流体が到達できる最大の深さは不明であるが、それは数十kmを超える可能性がある。

したがって、この発明によって行われる核廃棄物及び他の有害廃棄物の処理方法は社会行動と多くの危険な放射性核種の半減期の両方に関連する時間軸で人間活動への接触から効果的に廃棄物を取り除く。この方法は、所定の密度および粘度を有する高密度流体または懸濁液を生成するのに適した材料と廃棄物とを混合し、また、高密度流体が所定の深地層に入り、また例えば固体〜液体の比率は流れを許容するには高すぎるので、流れが止まるまで地層を通って下方向に移動し続けるように、縦穴に所定の圧力または率で高密度流 体を注入する工程を含む。高密度流体又は流体/懸濁液の十分な量が亀裂の上部閉塞部の上の、膜または残留物として拡散されたとき、伝播が停止する可能性がある。

必要な粘度及び密度を提供するのに適した油、ゲル、または任意の流体は、核廃棄物、その他の有害廃棄物または金属の他のタイプのような一次廃棄物の密度を増やす加重材料として使われる。一次廃棄物は、ビスマス、鉛、鉄、銅、又は低融点の金属、または高レベル廃棄物材料を混合したり、溶解または融合することができる合金(例えば、水銀、ウッドメタル、インダロイ15、ガリウム)に限定されるものではない。低融点合金は、注入縦穴の基底部で予想される圧力と温度状況下において液体である。加重材料に用いられる金属のような固体化合物は、濃厚懸濁液を作成するための、架橋結合されたポリマー又は粘土鉱物の水和によって形成された無機ゲルを含む、高剪断強度のある液体と混合してもよい。混合前の段階で、廃棄物が固体形態であるならば、所定の大きさに粉砕してもよい。

加圧された高密度流体は、岩盤構造物の垂直方向の亀裂又は亀裂を作成する。高密度流体は亀裂に入り、 岩盤構造物を支えるのに役立つ。岩盤構造物は、原子炉が通常その上 に建てられるような、安定性があり、低透過性の岩構造であることが望ましい。加重材料のため、高密度流体の密度は、岩の密度よりも大きく、そしてこのことは高密度流体が固定化されるまで流体が下方向に移動する傾向を引き起こす。高密度流体の密度が、岩の密度と正確に等しい場合には、高密度流体は、岩盤の亀裂の強靭性に打ち勝てない場合がある。これは、亀裂の伝搬のために必要となる、それゆえ亀裂の成長を確実にするために、密度はやや高くする必要がある。どの程度高いかは、亀裂の強靭性の大きさ、流体特性、および工業用水圧破砕法におけるその他の効果水準に依存する。

大まかに言えば、深さが増加するにつれ、岩の密度は増加する。そのため、いったん亀裂が伝搬すると、高密度流体の密度が、岩の密度と同じになるところのポイントに到達することができ、それによってそれ以上の伝搬を制限する。最終的に、亀裂はほぼ水平となり、高密度流体は、亀裂を水平に埋める。これは地質学的な岩床に類似しており、成長する亀裂の水平部分が安全な廃棄物保管を可能にするので、提案された技術を妨げない。亀裂の強靭性は、深さとともに増加する。それは、温度、圧力および亀裂の大きさなどの要因と共に増加するためである。しかしながら、亀裂の強靭性の影響は、亀裂を加圧することによって克服することができる。

例えば、ただの一例として 固定化地点は、高密度流体の地層への初期流入地点の下の 約2,000〜50,000フィート(約600〜15,000メートル)で発生する可能性がある。(その深さは、より大きくすることができ、主に掘削や圧送の限界によって制約されている。)高密度流体は、縦穴筐体内の送り穴に関連してあらゆる動き又は移行が上向きに発生したかどうかを確認するために、従来の追跡の手段を用いて監視することができる。あるいは、高密度流体は、縦穴筐体にアクセス可能な領域の基底部下の下方向への移動を評価するために、マイクロ地震波探査の手段を用いて、監視することができる。

縦穴は、核廃棄物又は他の有害廃棄物を生成する施設やその上で掘削されることが好ましい、それゆえ外部施設と処分施設へ廃棄物を輸送する必要がなくなる。縦穴は、施設での一時的な貯蔵手段を不要とする。なぜなら、廃棄物は、即時の永久処分のために直接縦穴へ移送することができるからである。図2に示すように、縦穴は、混合された水、廃棄物、加重材料を受け取るための作業ストリング又はチュービングと、パッカー(包装装置)と、所定の深さ又はそのあたりに配置された、送り穴を有するセメントケーシングと、を備えている。所定の深さは、約10,000〜30,000フィート(約3,000〜9,000メートル)の範囲であることが好ましい。作業ストリングは、定期的なクリー ニング又は交換のために取り外されてもよい。縦穴内で高密度流体を圧力で圧送するために使用される圧送トラックと同様、水、廃棄物、および加重材料を混ぜ合わせるために使用される混合機は、遮蔽されているのが好ましい。(図1参照。)

全ての可能な実施形態ではないが、核廃棄物および他種有害廃棄物の深層隔離のためのシステムおよび方法の好ましい実施形態を説明しかつ図示した。本発明のシステムおよび方法自体は、以下の特許請求の範囲によって定義され限定される。