核废料的前世与今生

核能是一种重要的低碳、高密度能源，可提供稳定的电力输出。但历史上两次重大的核电站辐射泄漏事故，1986的乌克兰切尔诺贝利事件和2011年的日本福岛事件，对人类生命健康造成了巨大威胁，对经济造成了巨大损失并引起了全球恐慌。但我们也不用谈核色变，应该理性地看待并合理利用核能。

近期发生的日本向太平洋倾倒核废水事件，再次引起国际社会对于核废料的的广泛关注。那么，核废料究竟由何而来？应该如何安全处置？

核废料的由来

图1 立陶宛维萨基纳斯核电站（图片来自网络）

媒体上提及的核废料，一般是指带有放射性的废料，分为高放废料和中低放废料。高放射性废料（又称乏燃料）主要来源于核电站燃烧后的核燃料（占总量5%以下），这些乏燃料中含有大量未用完的燃料铀和新产生的元素（如钚，镎，锶，铯等），具有很强的放射性。

中低放废料主要来源于核燃料循环、医院、同位素生产等领域（占总量95%以上）。例如：核燃料加工中产生含铀废液；反应堆运行产生的活化水；燃料后处理产生的中低放废料；医院废弃的放射性医疗设备；同位素生产中的产生的废料等。目前对于中低放废料的处理方法为，将其装入特质的容器，运到专门的处理厂，进行地下掩埋或焚烧。下面主要介绍高放废料的产生和处理过程。

图2 铀-235核裂变示意图（图片来自网络）

全球现存的商业化核电站都是通过核裂变方式实现发电。当放射性核素一分为二发生了核反应时，会释放大量的热量。目前商用反应堆主要有压水堆、沸水堆和重水堆，虽然设计不尽相同，但总的来说，原理均时通过堆芯产生的热量将水气化，来带动涡轮发电机进行发电。核燃料在核电厂中使用5-8年后，已经释放了足够的能量，铀含量的降低，使核燃料不再具有持续工作的能力，但它还在持续释放远超致死量的辐射，所以如何处置它们是目前最为关注的问题。目前世界主要核工业国家对高放核废料的处理主要分为一次通过（直接处置）和闭式燃料循环。

核废料的直接处置

采用直接处置的核废料，其铀资源利用率仅为1%左右。目前采用的国家主要有美国、加拿大、瑞典、芬兰等。它是将反应堆产生的核废料放在一个与世隔绝地方，直到永远，但远非这么简单。

图3 核废料被储存在硼水池中，大概几十年之后再进行永久处置（图片来自网络）

大多数的核废料被储存在硼水池中，水可以有效阻挡辐射的扩散，这是一个经济便捷的储存措施。一般情况，这些水池建于核电站中，方便将反应堆中的使用过燃料棒转移到水中并加以临时储存。这些使用过的燃料棒在水中仍然可以发射能量，因此池水会被加热，需要冷却系统进行调节，来防止水的沸腾。如果电力供应中断，备用电源也失效，冷却系统将停止工作，导致水温不断升高并沸腾，失去了水，辐射便会释放的环境中。事实上，这恰恰就是发生在日本福岛的事情。主电源和备用电源同时罢工，导致水温到沸点，大量水分沸腾，但释放大量辐射到环境之前，注入了大量的海水，情况得到了控制，否则成千上万的人会死去。虽然对堆芯进行了冷却，但与堆芯直接接触会产生大量放射性废液，虽然已经被处理过了，但还是比普通冷却水有更高的放射性，这就是最近日本决定排放的核污水。全球现存的所有核废料储存区都不是长期有效的，它们不过是临时性的核废料暂存区域，直到一个长期储存区的建立来取代它们。

图4 废弃的核燃料棒将放置在特制容器中，这种特制容器由纯铜包裹的铸铁罐制成，厚度达到两英寸，耐腐蚀性非常高（图片来自网络）

图5 装满核废料的容器将被焊接密封，然后被放入深达26英尺的存储管内。而整个管道将被膨润土这种吸水粘土填满（图片来自网络）

核废料在水池中冷却几十年后，它通常会被移动到特质的容器中进行辐射封存，但这些核废料的释放辐射的时间长达百万年，而现在人类的出现约20万年，所以核废料的储存应该独立于人类管理之外而正常运行，直到真正意义上的永远。目前芬兰已经在地下400多米的基岩中修建了永久的核废料处置库；美国也在重新启动尤卡山核废物处置库计划。但数百年后，这些存放地点会不会发生破坏是无法预料的。因此永久储存库的长期安全性、经济性以及对人类与社会发展的影响需要人们的持续关注。

核废料闭式循环处置

目前的商用反应堆中核燃料的利用率约为1%，因此国际上提出了对乏燃料的后处理。下面用燃烧过的煤做类比，燃烧过的煤只有1%利用了，但已经不能燃烧了，其余99%中大都是可以继续燃烧使用的。目前主要有两种处理方式，其一是可用核素的精细分离方法；另一种是中子毒物部分排除方法。

1）可用核素精细分离：将燃烧过的煤中可以使用的核素，分门别类的提取，提取的可用核素质量占到原有质量的95%以上，之后制备成新煤继续燃烧。就是将铀，钚，超铀等有用核素从乏燃料中精细分离提取制成新燃料，常用有PUREX技术（图6），该技术本身存在萃取工艺流程复杂，设备规模大，产生大量的难处理有机废液等问题；后处理厂投资巨大、建设周期长、经济性不高，世界上拥有后处理厂的国家并不多。图7为法国阿格乏燃料处理厂。

图6 普雷克斯（PUREX ）工艺流程图

图7 法国阿格乏燃料后处理厂（图片来自网络）

后处理产生的中低放废料，其所含的放射性核素最终被固结在固化体中，封装在包装容器内之后，把它们埋藏在专门的混凝土构筑物内，即中低放废物处置场。高放废液与玻璃体熔融在一起，注入专用的不锈钢容器内形成玻璃固化体，即所谓的高放废物，贮存一段时间后，等待最终的深地质（通常认为大于300米的地下场所）处置，与直接的处置类似。

2）中子毒物部分排除：将燃烧过的煤中不能继续燃烧的部分分离提取，提取质量占比很低，其他大部分一锅烩制成新煤。就是将有毒中子核素从乏燃料中部分提取，其他大部分制成新燃料（图8）。例如：液态核燃料的后处理，加速器驱动先进核能系统（ADANES）等。

图8 中子毒物部分排除示意图（图片来自网络）

3）其他：理想的蜡烛堆概念，其一次性装料可以连续运行数十年甚至上百年，类似于快中子堆。其特点就是无须换料及后处理，像蜡烛一样没有什么废料产生。

图9 蜡烛堆概念图（图片来自网络）

结语：

近年来，随着国际核能发展形势的变化，世界主要的核能国家都将乏燃料后处理技术列入本国的核能发展计划，并加大了研究投入，也提了一些创新性的思路和流程。目前乏燃料后处理体系尚待完善，中国正在探索适合自己的发展道路。

参考文献：

1. 国家核安全局，核电厂放射性废物有归宿，2015

2. 顾忠茂，柴之芳，关于我国核燃料后处理/再循环的一些思考，2011

3. 知乎，核技术-乏燃料后处理

4. 知乎，什么是核废料？应不应该后处理？

5. 韦悦周，国外核燃料后处理化学分离技术的研究进展及考察，2011

6. 詹文龙，徐瑚珊，未来先进核裂变能-ADS嬗变系统，2012

7. 詹文龙，杨磊，闫雪松等，加速器驱动先进核能系统及其研究进展，2019

8. 知乎，连比尔盖茨都看好的行波堆，到底行不行？

来源：中国科学院近代物理研究所