劉振乾 譯
台電退休人員
譯者前言: 高強度核廢料地層處置場的設置是擁有核能發電的國家的共同問題。日本也積極從事有關課題之研究。日本的鈽(Plutonium)季刊的編輯們為此專訪東濃地科學中心與幌延深地層研究中心的專家們而撰寫這一篇淺顯易懂的入門文章。承蒙鈽(Plutonium)季刊的芳賀千惠美女士以2010年8月24 日e-mail惠賜翻譯權，謹此申致最高謝意。
地下空間是安定的世界
聖經的創世紀裡，上主祝福人類說:「要生養眾多，使你們的後代遍滿世界，控制大地。」，而如今人類已遍滿世界。人類不但在地上活動上甚至擴充到宇宙，做到了「上窮碧落下黃泉」的地步。最近讓日本大感興奮的是，日本的小行星探查機「隼」HAYABUSA平安歸來的消息。「隼」在2003年5月被打上去，而於2005年接觸阿波羅群的小行星「ITOKAWA」，嘗試採取岩石，歷經火箭引擎的故障，有一段時間甚至行蹤不明，還好於2010 年6 月13日經過7年的飛行，旅程長達60億公里，回到地球上。在突進大氣圈的時候「隼」本身燒盡，只有可能帶有小行星的岩石的樣本的容器(CAPSULE)平安降落於澳洲。克服重重故障而平安歸來的「隼」贏得很多日本人的稱讚乃是理所當然的。(譯註: 2010 年11 月，經證實容器內確實有約200多片微粒子)。
剩下來尚未經人類探查的領域為地下空間。1959年放映的美國科幻小說電影「地底探險(Journey to the Center of Earth)」，在地下出現海與恐龍，讓人做地下探險的夢。這雖是科幻小說的世界，而實際上於2000年被發現的墨西哥的奈伊卡礦山地下300m的Selenite(透明石膏)結晶柱則令人嘆為觀止，更增加地下的不可思議之處。
在地下的人類的活動，有古代波斯的乾燥地帶建造了密密麻麻的地下灌溉用水路。而卡帕多西亞( Cappadocia，土耳其主前15-16世紀之古地名)竟然有36處如螞蟻的巢般的地下都市。這些地下都市有深80m，地下8層樓般的規模，卡以馬庫魯地下都市被認為有2萬人口，代林庫優地下都市則有4萬人口的規模。這些地下都市裡，通氣口、教堂、住居、廚房、糧食倉庫、學校、廣場等一應俱全都在地下空間裡。地下空間與地上不同較少受自然界的影響，冬暖夏涼，因而不少動物築巢於地下。
日本的地下利用，以大都市來說以地下鐵(捷運)最為普遍，其最深處為東京的大江戶線‧六本木站的42.3m。而隧道則有世界最長的青函隧道全長53.85km，其最深處為水深140m。能源關聯設施也利用地下空間，如液化瓦斯(LNG)地下儲存槽、石油地下儲備基地、地下電廠、變電所等。東京電力的葛野川抽蓄電廠的水壩，其水路有世界最大級的714m的落差，其電廠位於地下460m處。
以研究設施來說，檢出超新星爆炸的微中子(neutrino)的超級神岡微中子天文台(Super Kamioka Nucleon Decay Experiment )則設置於神岡礦山內之地下1,000m 裝有50,000噸純水之處。而可說是人類的活動最深之處則非2009年在南非的Tau Tona mine 金礦山採掘到深 3,902m之處莫屬。
地下為最適溫儲存物品之場所。Wine(葡萄酒之類)的貯藏熟成都使用地下室，正因為可形成不受外界影響的安定的環境。此外，4,000年、5,000年前的遺跡或遺物可從淺於地下10m的地方挖掘出來。在埃及如此，日本的青森縣之三大丸山繩文遺跡也是如此。而從20萬年前到3萬年前生存之後滅絕的人屬之一種的尼安德達人(智人，Homo sapiens neanderthal 為洪積世之人類) 的骨頭，則在相當良好的狀態下從洞窟或淺的地下被發現。
高放射性廢棄物(HLW)為多種元素之集合體
對防止溫室效應最有效果的對策是核能發電，會產生高放射性廢棄物 (High Level Radwaste 以下簡稱HLW)。日本是將電廠燃燒約4年後的使用過核子燃料加以再處理(即抽出其中所含的鈾與鈽)之後所剩下無法再利用的極少量東西就是高放射性廢棄物。不過這高放射性廢棄物中還是有從白金族到稀土族元素的所有元素，把它稱為廢棄物實在是太過冤枉了。有一天人類的技術更上一層樓，能夠將這些元素加以單獨取出的話，核能電廠與再處理工廠會成為煉金術工廠。但依現在的技術，混有高價格元素的HLW仍當做「廢棄物」。如果換一個角度思考，保管與處置如此高價格的HLW的地層處置場可視為為了將來的新的「金礦山」，也是核能發電帶來的礦山。
把這HLW與玻璃混合，裝於不銹鋼的容器內，使成為固化體。玻璃為可保持長期安定狀態的物質，從世界各地的遺跡中可挖出玻璃等的服飾品可以證明此事實。將此HLW的玻璃固化體在地上保管約50年。也就是HLW的輻射與發熱最多，需要注意的期間(50年)裡在地面上加以保管。由日本委託在法國與英國再處理過的核燃料所形成的HLW已有部分送回日本，這些HLW放置於青森縣的六所村再處理工廠內的「高放射性廢棄物貯藏管理中心」(照片1)，從1995年到現在(2010.6)已保管1,440件。
藉著在地上保管，讓輻射強度與發熱量隨時間之過去而下降。日本的政策也同時是很多核能先進國家的政策是，其後將它移置、貯藏於地下約300m左右之比地上的環境安定很多的地下地層，再加以處置。 然而目前日本上沒有HLW的地層處置場。在2000年設立核能發電環境整備機構(NUMO)做為地層處置之負責機構，推動地層處置場設置工作。
照片1 高放射性廢棄物貯藏管理中心
除了火山地帶、活斷層之外其他地方都無妨
為了HLW的地層處置，是否存在要建設處置場所需的安定的場所?是大家關心的問題。在日本有很多火山是一個事實，但是既不是火山地帶、更非活斷層之地方也遍佈於全國各地。如此這般的大部分地方都可以成為候補地。
而在地層處置地又必須確認:可達成好幾層防護系統，以及可保證長期處置場之安全性。還必須調查地層本身自然之安全機能。在各國都有進行上述的研究調查，而日本從1976年開始地層處置技術之研究，目前日本原子力研究開發機構(簡稱原子力機構)的東濃地科學中心(歧阜縣)設置在結晶質岩的研究設施與幌延深地層研究中心(北海道) 設置在沉積岩的研究設施以實施地層研究，更在東海研究開發中心(茨城縣)的地上設施做綜合性的研究。
「東濃」地層為沉積岩與花崗岩(結晶質岩)，「幌延」為泥岩(沉積岩)，而其地層中所含有的水各異，東濃為淡水系統，在幌延則為鹽水系統(化石鹽水)。藉著科學地研究如此完全不同的地層與環境，可以獲得對日本特有的地質環境的知識與地層處置技術，並提升其可靠性，取得更佳的安全評估方法。
HLW的輻射經過數萬年之後就衰減到與本來的鈾礦石相同的程度。如果將它加以地層處置，除非將來再把它挖出來當做資源來利用的話，就是要將它存留於地層達數萬年之久。因此之故就做了很多的對策。經由再處理分離出來的HLW，如前述與玻璃混合，裝於不銹鋼的容器內，慢慢冷卻後固化。這不銹鋼的容器密封於鋼鐵製的圓筒形的外包裝(overpack以下簡稱為「外包裝」)內，不讓玻璃固化體與地下水有所接觸。
然後將此外包裝運到地下約300m的坑道裡，收容於坑道的岩盤中挖開的穴(PIT)，外包裝的四周用不透水的黏土加以包圍。黏土本身對核種有很高的吸附性質與膨脹性，因此外包裝更不容易與地下水有所接觸。如此對策稱為「工程障壁 (BARRIER)」。當然運到地下約300m的坑道，也可利用到地下地層封閉物質的能力。
礦物資源為地球誕生以來就一直存在的，由於在地下因此從未擴散或被稀釋而得以存在下來。這也代表地下地層有很大的能力封閉物質並加以保持。這種地下地層封閉物質的能力稱為「天然障壁BARRIER」，而HLW處置場則設計為將此「工程障壁BARRIER」與「天然障壁BARRIER」加以組合成為「多重障壁」以保其安全性者。
即使在嚴酷的條件下的評估也是安全
不管是什麼樣的設備或是裝置，其安全評估都採用比較嚴酷的情形(CASE)做為評估之基準，在HLW的地層處置也不例外，設定不太可能存在的狀況來做安全評估。在地下約300m的地層，被封閉於岩石中的化石水，其水的流動可說是微乎其微。如今大家認為假設有水的流動也頂多是一年1mm左右。原子力機構在HLW地層處置的安全評估研究裡所做的假設為，當處置場最後被回填後，被黏土包圍住的外包裝與其內側之不銹鋼的容器在約1,000年後都被破壞，以致玻璃固化體與地下水有了接觸的相當危險的設定。然後再假設玻璃固化體在約7萬年的時間裡慢慢的溶化到黏土裡，HLW內之核種也因而附著於黏土與岩盤，或與地下水一起緩慢移動而終於抵達地表面的人類生活圈。
如此這般的情節之安全評估研究報告，於1999年由原子力機構以「地層處置研究開發第2次綜合報告」加以發表。顯示在上述很不好的條件的設定下，放射性物質會滲出到地表面，當最多的放射性物質會滲出的時間約為80萬年後，其量為每年0.005微西弗。而日本的自然輻射值為900～1,200微西弗，加上考慮氡氣的吸入，會高達每年2,400微西弗之多。就可知即使設定很不好的條件，也可以獲得充分的安全性(2,400微西弗vs 0.005微西弗)。
有關評估研究，在地層處置的技術評估已有上述成果，原子力機構剩下來要做的是，更進一步提升評估之可靠性，從地表面到地下深部之調查研究之體系化，更進一步累積數據、知識、經驗，已整理出實用的技術，朝這方面做繼續的研究。今後要研究的課題為把這處置隧道回填後的環境，或是回填時如何不造成空隙的技術之開發等。
過去已有以及今後會蓄積下來的數據、技術、成果等要將之資料庫 (data base)化，以「知識管理系統(KMS)」(http://kms1.jaea.go.jp/kmsif/kms_login.html) 加以整理，從2010年4月起開始營運並公開。此「知識管理系統」基本上以專家為對象，比如說安全管制的負責人要確認其安全行為之根據時可以應用到，不過當然一般的人也可以善加應用，並不是只放正面的資訊而已，而是要將所有的議論及資訊(正、反面)以長期的時間軸加以收納。目前尚為原子力機構的單向的資訊提供，未來將擴充為雙向的溝通的系統。正致力於不單是給專家做參考，還要驅使數據管理技術做成讓每一位國民都能了解的內容，藉以獲得民眾的共識與信賴。
調查氦3就可知活斷層
訪問的東濃地科學中心的超深地層研究所位於歧阜縣瑞浪市，以最終的掘削深度地下1,000m為目標，已進行到420m的深度。從1999年的第2次綜合報告中所獲得的數據、知識以及技術等是否能如所願的應用於實際之深地層設施，確認在地下數百公尺(m)之地層設施能否如所預期之品管狀態下建造起來，在地下之岩漿或活動斷層、火山、地震隆起等的將來的變化該如何評估，以及進行其評估方法之研究開發。(照片2、照片3)
照片2 地下300m的研究通道
照片3 研究通道 地下100m處
視察的地下設施是由內徑6.5m的主立坑，內徑4.5m的換氣立坑及100m的水平坑道所組成。我們也參觀了深度300m的研究通道，見到其研究內容。在此設施，由於挖出相當大空間以致湧出不少的地下水，需要處理的水量高達每日600噸。如此的出水的處理，設施的管理經驗等也可用在將來的處置場。
在深300m的研究通道裡，以斷層或裂縫，地下水之化學的性質之變化，加在岩盤的壓力，坑道開挖對岩盤帶來的影響，湧水抑制對策等為研究對象而進行調查。為了這些調查在水平坑道有種種感測器插入岩盤中，採取數據。在如此長期專屬設施做地層研究的，也只有瑞浪的設施與北海道的幌延設施兩處而已，還有使用此二設施的共同研究機構除東北大學、京都大學、名古屋大學之外，尚有產業技術綜合研究所、電力中央研究所等均利用瑞浪的設施做研究。
在地質環境的長期的安定性之研究裡特別讓人感到有興趣的是，火山活動之研究一例，地下水中的氦3(氦的同位素:He3)之濃度測定。當氦3量比大氣中的量高的時候，很有可能附近有未知的活斷層。地下的地函(mantle，位於地殼之下，地核之上的中間帶)所含有的氦3，比大氣中濃度高８倍，而藉著活動斷層滲出來。另經由測量地下的電氣的流動度，可特定岩漿之位置，藉測定地形之變化而推定隆起之速度等。
由地表、地下可立體的確認地質構造
另一個做實地試驗的是北海道的幌延深地層研究中心。由稚內開車往南約一小時即可抵達。其目的與歧阜縣瑞浪市的地層研究所相同，其差異為瑞浪的地質為結晶質岩，而幌延的地質為泥岩、堆積岩。地下水則瑞浪為淡水系統，幌延則因較靠近海，為化石海水系統。此化石海水用嘴巴嘗有鹽味，但其鹽分濃度只有海水的1/2~1/4左右。
現在立坑已挖到250m，預備掘削到500m。此立坑稱為東立坑，而換氣立坑也在掘削中。下一步要掘削西立坑以便實施更詳細的調查。在東立坑的140m處設置水平坑道，做各種的調查研究。
在幌延的研究規劃為20年，目前到達中間期。由2000年開始的第1階段的調查研究，有從地表給予震動而做包含研究所用地在內的周邊地域之地質構造之解析，藉著其後之複數個鑽探調查所做成之地下水水壓分布等水理模式。此地表之第1階段調查研究已於2005年完成，而後開始立坑之掘削以便建設地下設施。此掘削作業將進行5年，併同時做掘削時之調查。在第2階段的調查研究，則為在地下140m處的水平坑道，依根據第1階段的鑽探所推定的斷層的數據為基準，做三次元分布，在地下調查實際的構造。而以鑽探之數據與立坑的水壓之整合性，解明地下水之流向。
發現岩盤的微生物的還原作用
與第2階段重複，從2010年開始第3階段之調查研究的地下設施試驗研究。在此試驗研究，模擬實際之處置設施，實施其系統之性能之確認試驗，例如外包裝之腐蝕試驗。此設施重要的試驗之一為開發低鹼水泥及其利用試驗。在幌延的大規模的喷著水泥試驗為世界首創。通常的水泥之水泥鹼性度為pH12.5~13，而開發之低鹼水泥為 pH11，應可減輕加諸岩盤之影響。(照片4、照片5)
照片4 地下140m水平坑道之調查現場
照片5 感測器群
在此地下140m的試驗設施實際從事試驗研究的人士告知一件有趣的事情。當建設地下空間的時候，由於岩盤會接觸到大氣因而形成大氣中的氧氣會進入岩盤的少許之氧化環境。把它回填回去就還原到自然，復歸到原有狀態。而認為岩盤的微生物發揮了它的還原能力，這是可期待進一步的研究成果的事。
當然與瑞浪研究相同的幌延的地下設施也開放給大學與研究機構做合作研究，與北海道大學、埼玉大學、筑波大學、東京大學、名古屋大學、京都大學與靜岡大學等合作。
可體驗地層空間
原子力機構為了讓更多人了解地下空間的狀況，也接受一般民眾參觀設施之活動。瑞浪超深地層研究所於2009年度有 3,700名來參觀，其中有 1,786名入坑。併設於幌延的研究所的PR設施的「YUME(夢)地創館」則2009年度有 11,000名來參觀。沒有打聽有多少人入坑，但是也可參觀地下設施。在瑞浪由於電梯之乘客人數限制以及設施之限制，每日只能有24人參觀，但要讓公眾能有共識，要加強針對地下空間的安全性以及容易管理的環境之認識，瑞浪的研究所樂於推廣此項工作。並且兩設施針對各自之地域的對象分別舉辦小孩的實驗教室與地層參觀之旅，也協辦教育部的「超科學高中(Super Science High School)」活動。
在日本雖有不少的地下設施，但調查研究地下300m處的地層空間的設施，則只有原子力機構所屬的這二設施而已。請您抽空訪問一下如何?
原載 Plutonium No.70 Summer 2010
