استفاده از فناوری حفاری نفت برای دفن زباله‌های هسته‌ای در ایالات متحده
ایالات متحده برای سال‌ها با چالشی پیچیده روبرو بوده است: مدیریت زباله‌های هسته‌ای که باید تا هزاران سال از دسترسی انسان‌ها و محیط زیست در امان بمانند. اکنون یک استارتاپ آمریکایی می‌خواهد این معضل را با بهره‌گیری از مقوله‌ای که صنعت نفت و گاز تجربه زیادی در آن دارد، یعنی حفاری عمیق و تغییر زاویه چاه‌ها به حالت افقی، حل کند.
شرکت دیپ ایزولیشن در همکاری با هالیبرتون، یکی از بزرگترین شرکت‌های حوزه انرژی، در نزدیکی کامرون در تگزاس به آزمایش سامانه‌ای پرداخته که به احتمال زیاد در آینده برای ذخیره زباله‌های هسته‌ای در اعماق زمین مورد استفاده قرار خواهد گرفت. کمیسیون راه‌آهن تگزاس، که در واقع وظیفه نظارت بر صنایع نفت و گاز این ایالت را برعهده دارد، به این پروژه مجوز حفاری آزمایشی را اعطا کرده است.
از نکات حائز اهمیت این است که آزمایش در تگزاس هیچ ماده رادیواکتیوی در بر نخواهد داشت. دراین آزمایش، دیپ ایزولیشن مایل است نشان دهد که چگونه می‌تواند چاه مورد نظر را با موفقیت حفر کرده و کپسول‌های مخصوص را به عمق زمین ارسال کند و در صورت نیاز، آن‌ها را مجدداً خارج کند. وزارت انرژی آمریکا نیز در توضیحات پروژه به آزمایش قرار دادن و بازیابی کپسول‌ها به عنوان بخشی از پیشرفت فناوری اشاره کرده است.
انتقال از چاه نفت به مخازن زباله‌های هسته‌ای
مفهوم اصلی این پروژه از منظر مهندسی به نسبت ساده به نظر می‌رسد. حفاری به‌طور ابتدایی نزدیک به عمودی آغاز می‌شود و به اعماق زیاد ادامه می‌یابد. سپس با استفاده از روش قوس‌دار، مسیر چاه به تدریج تغییر زاویه می‌دهد تا به درون یک لایه سنگی مستحکم و مناسب به صورت افقی تبدیل شود.
آزمایش تگزاس هیچ ماده رادیواکتیوی نخواهد داشت و تنها به بررسی قابلیت انتقال و بازیابی کپسول‌ها در بخش افقی چاه خواهد پرداخت.
شرکت دیپ ایزولیشن اعلام کرده است که آخرین بخش چاه می‌تواند در عمق تقریباً یک تا سه کیلومتری زمین قرار گیرد، که به مراتب پایین‌تر از منابع آب زیرزمینی است که انسان‌ها از آن استفاده می‌کنند. هدف، محصور کردن زباله‌ها در سازندهای سنگی با سن بالا و پایدار است، به گونه‌ای که فاصله‌ی زیادی با سطح زمین و آب‌های آشامیدنی داشته باشد.
رویکرد پیشنهادی از فناوری «حفاری جهت‌دار» که برای استخراج ذخایر زیرزمینی در صنعت نفت و گاز به‌کار می‌رود، بهره‌مند می‌شود. حفار پس از رسیدن به عمق مورد نظر، قادر به تغییر جهت مته است و می‌تواند به طور افقی تا صدها متر یا حتی چند کیلومتر در یک لایه زمین‌شناسی حرکت کند.
این قابلیت خاص توجه دیپ ایزولیشن را جلب کرده است. به جای احداث تونل‌های عظیم زیرزمینی که نیازمند ورود افراد و ماشین‌آلات است، امکان حفر چاهی باریک وجود دارد که از طریق آن کپسول‌های دارای زباله به محل نهایی منتقل می‌شوند.
چگونه کپسول‌های هسته‌ای در زیر زمین قرار داده می‌شوند؟
بر اساس طرح دیپ ایزولیشن، سوخت مصرف‌شده در ابتدا در کپسول‌های فلزی خاصی قرار می‌گیرد. این کپسول‌ها از قسمت عمودی چاه پایین می‌آیند، از بخش منحنی عبور کرده و در انتهای افقی یکی پس از دیگری جایگذاری می‌شوند.
این روش قرار دادن کپسول‌ها به‌طور افقی دارای مزایای مکانیکی است: بار وزن چندین کپسول روی یکدیگر تاثیر نمی‌گذارد. در یک چاه کاملاً عمودی، اگر کپسول‌ها به طور انبوه قرار بگیرند، قسمت‌های زیرین باید فشار زیادی را تحمل کنند؛ اما در بخش افقی، کپسول‌ها تقریباً به صورت دنباله‌ای چیده می‌شوند.
در طرح جدید، زباله‌های هسته‌ای به‌جای قرارگیری در تونل‌های بزرگ زیرزمینی، در کپسول‌هایی قرار می‌گیرند که از طریق چاه‌های باریک به اعماق سنگ‌های پایدار انتقال داده می‌شوند.
دیپ ایزولیشن برآورده کرده است که یک بخش افقی حدود ۱٫۵ کیلومتری می‌تواند برابر با تقریباً شش سال سوخت مصرف‌شده یک راکتور آب جوشان یا حدود ۱۰ سال سوخت مصرف‌شده یک راکتور آب تحت فشار را در خود جای دهد. این داده‌ها پیش‌بینی‌های شرکت است و ظرفیت نهایی هر مخزن به نوع سوخت، طراحی کپسول و شرایط زمین‌شناسی محل بستگی خواهد داشت.
پس از خروج سوخت هسته‌ای از رآکتور، دیگر برای تولید برق مناسب نیست، ولی هنوز بسیار رادیواکتیو بوده و گرما تولید می‌کند. ازاین‌رو نمی‌توان آن را از طریق روش‌های معمولی دفع کرد.
سوخت تازه خارج‌شده معمولاً در ابتدا چند سال در استخرهای ویژه نیروگاه‌ها نگهداری می‌شود تا دما و شدت تابش آن کاهش یابد. سپس، امکان انتقال آن به محفظه‌های بزرگ فلزی و بتنی وجود دارد. این دو روش، که شامل استخرهای سوخت مصرف‌شده و ذخیره‌سازی خشک می‌شوند، شیوه‌های متداول نگهداری موقت در ایالات متحده هستند. با این حال، مشکل این است که «موقت» بودن این نگهداری در آمریکا مدت‌هاست که به طول انجامیده است.
وزارت انرژی ایالات متحده در مستندات مالی سال ۲۰۲۶ اعلام کرده که نیروگاه‌های تجاری این کشور تاکنون تقریباً ۹۵ هزار تن فلز سنگین در قالب سوخت هسته‌ای مصرف‌شده تولید کرده‌اند. بخش اعظمی از این مواد هنوز در محل نیروگاه‌ها باقی مانده و حتی در بعضی مکان‌ها، خود نیروگاه‌ها سال‌ها پیش تعطیل شده‌اند اما سوخت مصرف‌شده هنوز در همان‌جا باقی مانده است. با تداوم کار نیروگاه‌ها، این مقدار نیز سال به سال افزایشی خواهد داشت.
مدت زمان ماندگاری زباله‌های هسته‌ای در زیر زمین چقدر خواهد بود؟
یکی از جنبه‌هایی که همواره در توضیحات این قبیل پروژه‌ها، موجب سردرگمی می‌شود، مقیاس زمانی است. هدف این نیست که کپسول‌ها فقط برای چند دهه در عمق زمین باقی بمانند. بعضی مواد رادیواکتیو در سوخت مصرف‌شده به‌مدت بسیار طولانی خطرناک باقی می‌مانند و مدیریت نهایی آن‌ها باید در دوره‌هایی از هزاران تا صدها هزار سال مورد توجه باشد. کمیسیون تنظیم مقررات هسته‌ای ایالات متحده نیز تأکید کرده که زباله‌های سطح‌بالا باید به‌گونه‌ای دفع شوند که برای مدت‌های طولانی از انسان و محیط زیست دور بمانند.
هدف از مخازن عمیق، جلوگیری از حرکت پسماندهای هسته‌ای برای دوره‌هایی از هزاران تا صدها هزار سال است.
فلسفه‌ی مخازن زمین‌شناختی عمیق دقیقاً بر همین نکته استوار است: به‌جای وابستگی به ساختارها، تجهیزات، نگهبانان و سیستم‌های انسانی در سطح زمین، چندین مانع متفاوت مانند کپسول‌ها، مواد آب بندی و در نهایت سنگ‌های اطراف باید حرکت مواد رادیواکتیو را محدود کنند. البته این به معنای اثبات ایمنی طرح دیپ ایزولیشن نیست. خود شرکت نیز محاسبات ایمنی اولیه منتشرشده برای مخازن افقی را «مقدماتی» می‌داند و تأکید دارد که طراحی نهایی باید بر اساس زمین‌شناسی مناطق تعیین شود.
در زمان بهره‌برداری، طراحی به‌نحوی است که کپسول‌ها قابل بیرون‌آوری از چاه خواهند بود. این قابلیت برای آزمایش فناوری و همچنین در دوره‌ای که مخزن به‌طور نهایی مسدود نشده اهمیتی حیاتی دارد. وزارت انرژی ایالات متحده نیز در برنامه‌های تحقیقاتی مربوط به دیپ ایزولیشن، صراحتاً آزمایش «قراردادن و بازیابی» کپسول‌ها را پیش‌بینی کرده است.
با این حال، نباید چنین تصوری وجود داشته باشد که زباله‌ها به‌آسانی برای همیشه قابل بیرون‌آوری خواهند بود. در نهایت، مخزن دائمی باید مسدود شده و آب‌بندی شود. میزان و مدت زمان امکان بازیابی مواد، بخشی از طراحی و مقررات هر پروژه واقعی خواهد بود.
حضور هالیبرتون بیشتر از آنکه به حوزه فناوری هسته‌ای ارتباط داشته باشد، به مهارت این شرکت در حفاری زیرزمینی مربوط می‌شود. دیپ ایزولیشن به‌منظور تخصص هالیبرتون در شناسایی وضعیت‌های زیرسطحی، حفاری و ساخت چاه بهره خواهد برد. بسیاری از شرکت‌ها و مؤسسات دیگر نیز در زمینه طراحی کپسول‌ها، انتقال مواد و ایمنی سیستم همکاری می‌کنند.
نیاز به کپسول سامانه دیپ ایزولیشن نیز با همکاری مجموعه‌هایی از جمله دانشگاه کالیفرنیا در برکلی، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و ان‌ای‌سی اینترنشنال توسعه یافته و بخشی از تحقیقات آن با حمایت وزارت انرژی ایالات متحده انجام شده است.
چرا ایالات متحده تابه‌حال زباله‌های هسته‌ای‌اش را دفن نکرده است؟
سیاست رسمی ایالات متحده بر این است که سوخت مصرف‌شده و زباله‌های هسته‌ای سطح‌بالا باید در نهایت در یک مخزن زمین‌شناختی عمیق به‌طور دائمی دفع شوند. با این وجود، در حال حاضر هیچ مخزن دائمی عملیاتی و دارای مجوزی برای پذیرش سوخت مصرف‌شده نیروگاه‌های تجاری در این کشور وجود ندارد.
سال‌ها پیش، کوه یوکا در ایالت نوادا به عنوان محل یک مخزن مورد نظر قرار گرفت. کنگره در سال ۱۹۸۷ این مکان را برای مطالعه بیشتر انتخاب کرده و وزارت انرژی نیز سال‌ها روی آن تحقیق کرده است، اما این پروژه به دلیل اختلافات سیاسی، حقوقی و محلی به موانع زیادی برخورده و تاکنون به یک مخزن عملیاتی تبدیل نشده است. قانون فعلی آمریکا چارچوب خاصی برای دفع دائمی پسماندهای هسته‌ای به همراه دارد و نهادهایی همچون وزارت انرژی، آژانس حفاظت از محیط‌زیست و کمیسیون تنظیم مقررات هسته‌ای هریک به نوعی در فرآیند ساخت و صدور مجوز این مخازن نقش دارند.
به همین خاطر، مجوزی که دیپ ایزولیشن در تگزاس گرفته، مجوز دفن زباله‌های هسته‌ای نیست بلکه صرفاً اجازه حفاری برای یک آزمایش غیررادیواکتیو را شامل می‌شود. حتی اگر این شرکت در آزمایش‌های مهندسی خود موفق ظاهر شود، استفاده واقعی از این روش برای سوخت مصرف‌شده نیازمند یک سری ارزیابی‌های زمین‌شناختی، زیست‌محیطی، ایمنی و مجوزهای هسته‌ای جداگانه خواهد بود.
ایده‌ای قدیمی با ابزارهای نوین
دفن عمیق زباله‌های هسته‌ای یک ایده جدید نیست. سال‌هاست که مخازن زمین‌شناختی عمیق به عنوان یکی از گزینه‌های اصلی برای مدیریت دائمی زباله‌های سطح‌بالا در نظر گرفته شده‌اند.
تفاوت پیشنهاد دیپ ایزولیشن عمدتاً در شیوه دسترسی به این اعماق است. مخازن سنتی معمولاً به‌صورت معادن بزرگ زیرزمینی طراحی می‌شوند و دارای شبکه‌ای از تونل‌ها و فضاهای قابل دسترسی برای انسان هستند. اما این روش به‌جای آنکه چنین ساختاری ایجاد کند، از چاه‌های باریک و حفاری شده از سطح زمین بهره می‌گیرد.
تفاوت اصلی در طرح دیپ ایزولیشن نسبت به مخازن سنتی استفاده از چاه‌های باریک و عمیق به‌جای ساخت شبکه گسترده‌ای از تونل‌های زیرزمینی است.
این روش نوین در صورت تحقق می‌تواند ساخت مخزن را تسهیل کرده و نیاز به حضور انسان در اعماق زمین را به حداقل برساند. در عوض، اثبات عملکرد آن در بازه‌های زمانی بسیار طولانی، انتخاب مکان مناسب، آب‌بندی مطمئن چاه‌ها، رفتار کپسول‌ها در طی هزاران سال و دریافت مجوزهای مربوطه همچنان مسائلی هستند که باید برای هر پروژه واقعی به دقت مورد بررسی قرار گیرد.
آزمایش تگزاس نمی‌تواند به‌عنوان راه‌حلی نهایی برای معضل زباله‌های هسته‌ای ایالات متحده شناخته شود. هدف آن در حال حاضر ساده‌تر است: نشان دادن این نکته که فناوری حفاری عمیق و افقی صنعت نفت و گاز می‌تواند کپسول‌های مخصوص را به اعماق زمین منتقل کرده، در بخش افقی چاه قرار داده و در صورت نیاز دوباره به سطح برگردانده شود.
اگر این آزمایش موفقیت‌آمیز باشد، مرحله دشوارتر تازه آغاز خواهد شد: اثبات این که این روش می‌تواند به یک مخزن دائمی، ایمن و مناسب برای نگهداری زباله‌های هسته‌ای تبدیل شود؛ مخزنی که هم از لحاظ زمین‌شناسی و مهندسی قابل اطمینان باشد و هم مجوزها و پذیرش عمومی لازم را کسب کند.
