دفن زباله‌های هسته‌ای با فناوری حفاری نفت؛ ایده‌ای متفاوت برای حل معضلی قدیمی

فناوری‌ باسابقه‌ای که سال‌ها برای رسیدن به مخازن نفت و گاز استفاده می‌شد، حالا قرار است برای یکی از مشکلات صنعت هسته‌ای آزمایش شود.

آمریکا دهه‌ها است با سؤالی دشوار دست‌وپنجه نرم می‌کند: با سوخت هسته‌ای مصرف‌شده‌ای که باید برای هزاران سال از انسان و محیط‌زیست دور نگه داشته شود، چه باید کرد؟ یک استارتاپ آمریکایی اکنون می‌خواهد برای حل این مشکل از نوعی فناوری‌ کمک بگیرد که صنعت نفت و گاز سال‌ها است در آن مهارت دارد: حفاری عمیق و تغییر مسیر چاه از حالت عمودی به افقی.

شرکت دیپ ایزولیشن با همکاری شرکت بزرگ هالیبرتون قصد دارد در نزدیکی شهر کامرون در ایالت تگزاس، سامانه‌ای را آزمایش کند که در آینده می‌تواند برای قراردادن زباله‌های هسته‌ای در اعماق زمین به کار رود. کمیسیون راه‌آهن تگزاس که برخلاف نامش یکی از نهادهای تنظیم‌گر صنایع نفت و گاز این ایالت است، مجوز حفاری آزمایشی پروژه را صادر کرده است.

نکته‌ی مهم این است که آزمایش تگزاس شامل هیچ ماده‌ی رادیواکتیوی نخواهد بود. دیپ ایزولیشن فعلاً می‌خواهد در مقیاس واقعی نشان دهد که می‌تواند چاه موردنظر را حفر کند، کپسول‌های مخصوص را به عمق زمین بفرستد و در صورت نیاز دوباره آن‌ها را بیرون بیاورد. وزارت انرژی آمریکا نیز در توضیح پروژه، آزمایش قراردادن و بازیابی کپسول‌ها را بخشی از برنامه‌ی توسعه‌ی فناوری اعلام کرده است.

ایده‌ی اصلی از نظر مهندسی نسبتاً ساده است. حفاری ابتدا تقریباً به‌صورت عمودی آغاز می‌شود و تا عمق زیادی ادامه پیدا می‌کند. سپس مسیر چاه با یک قوس تدریجی تغییر می‌کند تا درون یک لایه‌ی سنگی مناسب تقریباً افقی شود.

آزمایش تگزاس ماده‌ی رادیواکتیوی ندارد و فقط قرار است امکان انتقال کپسول‌ها به بخش افقی چاه و بازیابی دوباره‌ی آن‌ها را بررسی کند

دیپ ایزولیشن می‌گوید بخش نهایی چاه می‌تواند در عمق حدود یک تا سه کیلومتری زمین، یعنی جایی بسیار پایین‌تر از بیشتر منابع آب زیرزمینی مورد استفاده انسان قرار بگیرد. هدف این است که زباله‌ها در سازندهای سنگی بسیار قدیمی و پایدار محصور شوند و فاصله‌ی زیادی با سطح زمین و آب‌های آشامیدنی داشته باشند.

رویکرد مورد بحث از همان فناوری «حفاری جهت‌دار» استفاده می‌کند که صنعت نفت و گاز مدت‌ها است برای رسیدن به ذخایر زیرزمینی به کار می‌برد. حفار می‌تواند پس از پایین رفتن تا عمق موردنظر، جهت مته را تغییر دهد و صدها متر یا حتی چند کیلومتر در امتداد یک لایه‌ی زمین‌شناسی پیش برود.

همین قابلیت توجه دیپ ایزولیشن را جلب کرده است. به‌جای ساخت مجموعه‌ی عظیمی از تونل‌های زیرزمینی که انسان و ماشین‌آلات باید وارد آن شوند، می‌توان چاهی نسبتاً باریک حفر کرد و کپسول‌های حاوی پسماند را از سطح زمین به محل نهایی فرستاد.

در طرح دیپ ایزولیشن، سوخت مصرف‌شده ابتدا در کپسول‌های فلزی مخصوص قرار می‌گیرد. این کپسول‌ها از بخش عمودی چاه پایین فرستاده می‌شوند، از قسمت منحنی عبور می‌کنند و در بخش تقریباً افقی انتهایی، یکی پس از دیگری جای می‌گیرند.

قرار دادن کپسول‌ها به‌صورت افقی مزیتی مکانیکی هم دارد: وزن ده‌ها یا صدها کپسول روی یکدیگر وارد نمی‌شود. در چاه کاملاً عمودی، اگر کپسول‌ها روی هم قرار بگیرند، اجزای پایینی باید فشار زیادی را تحمل کنند؛ اما در بخش افقی، کپسول‌ها تقریباً پشت‌سرهم قرار دارند.

در طرح جدید، پسماندهای هسته‌ای به‌جای تونل‌های بزرگ زیرزمینی، درون کپسول‌هایی قرار می‌گیرند که از طریق چاه‌های باریک به لایه‌های سنگی عمیق و پایدار فرستاده می‌شوند

دیپ ایزولیشن می‌گوید یک بخش افقی حدود ۱٫۵ کیلومتری می‌تواند معادل تقریباً شش سال سوخت مصرف‌شده‌ی یک راکتور آب جوشان یا حدود ۱۰ سال سوخت مصرف‌شده‌ی یک راکتور آب تحت فشار را در خود جای دهد. این اعداد برآوردهای خود شرکت برای طراحی پیشنهادی آن هستند و ظرفیت واقعی هر مخزن در نهایت به نوع سوخت، طراحی کپسول و شرایط زمین‌شناسی محل بستگی خواهد داشت.

سوخت هسته‌ای پس از خارج‌شدن از رآکتور دیگر برای تولید عادی برق مناسب نیست، اما همچنان بسیار رادیواکتیو است و گرما تولید می‌کند. به همین دلیل نمی‌توان آن را مانند زباله‌های معمولی دفع کرد.

سوخت تازه خارج‌شده معمولاً ابتدا چند سال در استخرهای مخصوص نیروگاه نگهداری می‌شود تا گرما و شدت تابش آن کاهش پیدا کند. سپس، امکان انتقال آن به محفظه‌های بزرگ فلزی و بتنی وجود دارد. این دو روش، یعنی استخرهای سوخت مصرف‌شده و ذخیره‌سازی خشک، شیوه‌های متداول نگهداری موقت در آمریکا هستند. اما مشکل اینجاست که «موقت» بودن این ذخیره‌سازی در آمریکا بسیار طولانی شده است.

وزارت انرژی آمریکا در اسناد بودجه‌ی سال مالی ۲۰۲۶ اعلام کرده بود که نیروگاه‌های تجاری این کشور تاکنون حدود ۹۵هزار تن فلز سنگین در قالب سوخت هسته‌ای مصرف‌شده تولید کرده‌اند. بخش بزرگی از این مواد همچنان در محل نیروگاه‌ها نگهداری می‌شود و حتی در برخی سایت‌ها، خود نیروگاه سال‌هاست تعطیل شده اما سوخت مصرف‌شده هنوز همان‌جا باقی مانده است. با ادامه‌ی فعالیت نیروگاه‌ها، این حجم نیز هر سال بیشتر می‌شود.

یکی از نقاطی که معمولاً در توضیح چنین پروژه‌هایی باعث سردرگمی می‌شود، مقیاس زمانی است. هدف این نیست که کپسول‌ها فقط چند دهه زیر زمین بمانند. برخی مواد رادیواکتیو موجود در سوخت مصرف‌شده برای مدت بسیار طولانی خطرناک باقی می‌مانند و مدیریت نهایی آن‌ها باید در بازه‌های زمانی هزاران تا صدها هزار سال بررسی شود. کمیسیون تنظیم مقررات هسته‌ای آمریکا نیز تأکید می‌کند که پسماندهای سطح‌بالا باید به شکلی دفع شوند که برای مدت بسیار طولانی از مردم و محیط‌زیست جدا بمانند.

هدف مخازن عمیق، جدا نگه‌داشتن پسماندهای هسته‌ای برای بازه‌هایی از هزاران تا صدها هزار سال است

فلسفه‌ی مخازن زمین‌شناختی عمیق نیز دقیقاً همین است: به‌جای وابستگی همیشگی به ساختمان‌ها، تجهیزات، نگهبانان و سامانه‌های انسانی در سطح زمین، چند مانع مختلف مانند کپسول، مواد آب‌بندی و در نهایت خود سنگ‌های اطراف باید حرکت مواد رادیواکتیو را محدود کنند. این البته به معنی اثبات ایمنی طرح دیپ ایزولیشن نیست. خود شرکت نیز محاسبات ایمنی منتشرشده برای مخازن افقی را «مقدماتی» می‌داند و می‌گوید طراحی نهایی باید براساس زمین‌شناسی محل مشخص شود.

در مرحله‌ی بهره‌برداری، طراحی به‌گونه‌ای است که کپسول‌ها را بتوان دوباره از چاه خارج کرد. این موضوع برای آزمایش فناوری و همچنین دوره‌ای که مخزن هنوز به‌طور نهایی بسته نشده اهمیت دارد. وزارت انرژی آمریکا نیز در برنامه‌ی تحقیقاتی مرتبط با دیپ ایزولیشن صراحتاً آزمایش «قراردادن و بازیابی» کپسول‌ها را پیش‌بینی کرده است.

اما نباید چنین برداشتی ایجاد شود که زباله‌ها قرار است برای همیشه به‌آسانی قابل بیرون‌آوردن باشند. مخزن دائمی در نهایت باید بسته و آب‌بندی شود. میزان و مدت امکان بازیابی مواد، بخشی از طراحی و مقررات هر پروژه‌ی واقعی خواهد بود.

حضور هالیبرتون بیش از آنکه به فناوری هسته‌ای مربوط باشد، به مهارت این شرکت در حفاری زیرزمینی ارتباط دارد. دیپ ایزولیشن اعلام کرده است که هالیبرتون تخصص خود در زمینه‌ی شناخت شرایط زیرسطحی، حفاری و ساخت چاه را در اختیار پروژه می‌گذارد. در کنار آن، شرکت‌ها و مؤسسات دیگری از حوزه‌ی هسته‌ای نیز روی طراحی کپسول‌ها، انتقال مواد و ایمنی سامانه کار می‌کنند.

سامانه‌ی کپسولی دیپ ایزولیشن نیز با همکاری مجموعه‌هایی ازجمله دانشگاه کالیفرنیا برکلی، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و ان‌ای‌سی اینترنشنال توسعه یافته و بخشی از پژوهش‌های آن با حمایت وزارت انرژی آمریکا انجام شده است.

سیاست رسمی آمریکا این است که سوخت مصرف‌شده و پسماندهای هسته‌ای سطح‌بالا در نهایت در یک مخزن زمین‌شناختی عمیق به‌صورت دائمی دفع شوند. بااین‌حال، در حال حاضر هیچ مخزن دائمی عملیاتی و دارای مجوزی برای پذیرش سوخت مصرف‌شده‌ی نیروگاه‌های تجاری در این کشور وجود ندارد.

سال‌ها قرار بود کوه یوکا در ایالت نوادا محل چنین مخزنی باشد. کنگره در سال ۱۹۸۷ این مکان را برای بررسی بیشتر انتخاب کرد و وزارت انرژی نیز سال‌ها روی آن مطالعه کرد، اما پروژه با اختلاف‌های سیاسی، حقوقی و محلی گسترده روبه‌رو شد و تاکنون به مخزن عملیاتی تبدیل نشده است. قانون فعلی آمریکا همچنان چارچوب مشخصی برای دفع دائمی پسماندهای هسته‌ای دارد و نهادهایی مانند وزارت انرژی، آژانس حفاظت از محیط‌زیست و کمیسیون تنظیم مقررات هسته‌ای هرکدام در فرایند احداث و صدور مجوز چنین مخزنی نقش دارند.

به همین دلیل، مجوزی که دیپ ایزولیشن در تگزاس دریافت کرده، مجوز دفن زباله‌ی هسته‌ای نیست؛ فقط اجازه‌ی حفاری برای یک آزمایش غیررادیواکتیو را می‌دهد. حتی اگر این شرکت در آزمایش‌های مهندسی خود موفق شود، استفاده‌ی واقعی از این روش برای سوخت مصرف‌شده نیازمند مجموعه‌ای جداگانه از ارزیابی‌های زمین‌شناختی، زیست‌محیطی، ایمنی و مجوزهای هسته‌ای خواهد بود.

دفن عمیق پسماندهای هسته‌ای ایده‌ی تازه‌ای نیست. دهه‌ها است که مخازن زمین‌شناختی عمیق یکی از گزینه‌های اصلی برای مدیریت دائمی زباله‌های سطح‌بالا محسوب می‌شوند.

تفاوت پیشنهاد دیپ ایزولیشن بیشتر در شکل دسترسی به این اعماق است. مخازن متعارف معمولاً مانند یک معدن زیرزمینی بزرگ طراحی می‌شوند و شبکه‌ای از تونل‌ها و فضاهای در دسترس برای انسان دارند. روش دیپ ایزولیشن به‌جای ساخت چنین مجموعه‌ای، از چاه‌های باریک حفاری‌شده از سطح زمین استفاده می‌کند.

تفاوت اصلی طرح دیپ ایزولیشن با مخازن سنتی، استفاده از چاه‌های باریک و عمیق به‌جای ساخت شبکه‌ای بزرگ از تونل‌های زیرزمینی است

روش جدید در صورت عملی‌شدن می‌تواند ساخت مخزن را ساده‌تر کند و نیاز به حضور انسان در اعماق زمین را کاهش دهد. در مقابل، اثبات عملکرد آن در بازه‌های زمانی بسیار طولانی، انتخاب محل مناسب، آب‌بندی مطمئن چاه‌ها، رفتار کپسول‌ها در طول هزاران سال و دریافت مجوزهای لازم همچنان مسائل مهمی هستند که باید برای هر پروژه‌ی واقعی بررسی شوند.

آزمایش تگزاس قرار نیست راه‌حل نهایی مشکل زباله‌های هسته‌ای آمریکا باشد. هدف فعلی ساده‌تر است: نشان‌دادن اینکه فناوری حفاری عمیق و افقی صنعت نفت و گاز می‌تواند کپسول‌های مخصوص را به اعماق زمین منتقل کند، آن‌ها را در بخش افقی چاه قرار دهد و در صورت نیاز دوباره به سطح برگرداند.

اگر این آزمایش موفق باشد، مرحله‌ی دشوارتر تازه شروع می‌شود: اثبات اینکه چنین روشی می‌تواند در عمل به مخزنی دائمی، ایمن و قابل‌قبول برای نگهداری زباله‌های هسته‌ای تبدیل شود؛ مخزنی که هم از نظر زمین‌شناسی و مهندسی مطمئن باشد و هم مجوزهای قانونی و پذیرش عمومی لازم را به دست آورد.