核廢料的前世與今生

核能是一種重要的低碳、高密度能源,可提供穩定的電力輸出。但歷史上兩次重大的核電站輻射洩漏事故,1986的烏克蘭切爾諾貝利事件和2011年的日本福島事件,對人類生命健康造成了巨大威脅,對經濟造成了巨大損失並引起了全球恐慌。但我們也不用談核色變,應該理性地看待併合理利用核能。

近期發生的日本向太平洋傾倒核廢水事件,再次引起國際社會對於核廢料的的廣泛關注。那麼,核廢料究竟由何而來?應該如何安全處置?

核廢料的由來

圖1 立陶宛維薩基納斯核電站(圖片來自網路)

圖1 立陶宛維薩基納斯核電站(圖片來自網路)

媒體上提及的核廢料,一般是指帶有放射性的廢料,分為高放廢料和中低放廢料。高放射性廢料(又稱乏燃料)主要來源於核電站燃燒後的核燃料(佔總量5%以下),這些乏燃料中含有大量未用完的燃料鈾和新產生的元素(如鈽,錼,鍶,銫等),具有很強的放射性。

中低放廢料主要來源於核燃料循環、醫院、同位素生產等領域(佔總量95%以上)。例如:核燃料加工中產生含鈾廢液;反應堆運行產生的活化水;燃料後處理產生的中低放廢料;醫院廢棄的放射性醫療設備;同位素生產中的產生的廢料等。目前對於中低放廢料的處理方法為,將其裝入特質的容器,運到專門的處理廠,進行地下掩埋或焚燒。下面主要介紹高放廢料的產生和處理過程。

圖2 鈾-235核裂變示意圖(圖片來自網路)

圖2 鈾-235核裂變示意圖(圖片來自網路)

全球現存的商業化核電站都是通過核裂變方式實現發電。當放射性核素一分為二發生了核反應時,會釋放大量的熱量。目前商用反應堆主要有壓水堆、沸水堆和重水堆,雖然設計不盡相同,但總的來說,原理均時通過堆芯產生的熱量將水氣化,來帶動渦輪發電機進行發電。核燃料在核電廠中使用5-8年後,已經釋放了足夠的能量,鈾含量的降低,使核燃料不再具有持續工作的能力,但它還在持續釋放遠超致死量的輻射,所以如何處置它們是目前最為關注的問題。目前世界主要核工業國家對高放核廢料的處理主要分為一次通過(直接處置)和閉式燃料循環。

核廢料的直接處置

採用直接處置的核廢料,其鈾資源利用率僅為1%左右。目前採用的國家主要有美國、加拿大、瑞典、芬蘭等。它是將反應堆產生的核廢料放在一個與世隔絕地方,直到永遠,但遠非這麼簡單。

圖3 核廢料被儲存在硼水池中,大概幾十年之後再進行永久處置(圖片來自網路)

大多數的核廢料被儲存在硼水池中,水可以有效阻擋輻射的擴散,這是一個經濟便捷的儲存措施。一般情況,這些水池建於核電站中,方便將反應堆中的使用過燃料棒轉移到水中並加以臨時儲存。這些使用過的燃料棒在水中仍然可以發射能量,因此池水會被加熱,需要冷卻系統進行調節,來防止水的沸騰。如果電力供應中斷,備用電源也失效,冷卻系統將停止工作,導致水溫不斷升高並沸騰,失去了水,輻射便會釋放的環境中。事實上,這恰恰就是發生在日本福島的事情。主電源和備用電源同時罷工,導致水溫到沸點,大量水分沸騰,但釋放大量輻射到環境之前,注入了大量的海水,情況得到了控制,否則成千上萬的人會死去。雖然對堆芯進行了冷卻,但與堆芯直接接觸會產生大量放射性廢液,雖然已經被處理過了,但還是比普通冷卻水有更高的放射性,這就是最近日本決定排放的核汙水。全球現存的所有核廢料儲存區都不是長期有效的,它們不過是臨時性的核廢料暫存區域,直到一個長期儲存區的建立來取代它們。

圖4 廢棄的核燃料棒將放置在特製容器中,這種特製容器由純銅包裹的鑄鐵罐製成,厚度達到兩英寸,耐腐蝕性非常高(圖片來自網路)

圖5 裝滿核廢料的容器將被焊接密封,然後被放入深達26英尺的儲存管內。而整個管道將被膨潤土這種吸水粘土填滿(圖片來自網路)

核廢料在水池中冷卻幾十年後,它通常會被移動到特質的容器中進行輻射封存,但這些核廢料的釋放輻射的時間長達百萬年,而現在人類的出現約20萬年,所以核廢料的儲存應該獨立於人類管理之外而正常運行,直到真正意義上的永遠。目前芬蘭已經在地下400多米的基岩中修建了永久的核廢料處置庫;美國也在重新啟動尤卡山核廢物處置庫計劃。但數百年後,這些存放地點會不會發生破壞是無法預料的。因此永久儲存庫的長期安全性、經濟性以及對人類與社會發展的影響需要人們的持續關注。

核廢料閉式循環處置

目前的商用反應堆中核燃料的利用率約為1%,因此國際上提出了對乏燃料的後處理。下面用燃燒過的煤做類比,燃燒過的煤只有1%利用了,但已經不能燃燒了,其餘99%中大都是可以繼續燃燒使用的。目前主要有兩種處理方式,其一是可用核素的精細分離方法;另一種是中子毒物部分排除方法。

1)可用核素精細分離:將燃燒過的煤中可以使用的核素,分門別類的提取,提取的可用核素質量佔到原有質量的95%以上,之後製備成新煤繼續燃燒。就是將鈾,鈽,超鈾等有用核素從乏燃料中精細分離提取製成新燃料,常用有PUREX技術(圖6),該技術本身存在萃取工藝流程複雜,設備規模大,產生大量的難處理有機廢液等問題;後處理廠投資巨大、建設週期長、經濟性不高,世界上擁有後處理廠的國家並不多。圖7為法國阿格乏燃料處理廠。

圖6 普雷克斯(PUREX )工藝流程圖

圖6 普雷克斯(PUREX )工藝流程圖

圖7 法國阿格乏燃料後處理廠(圖片來自網路)

圖7 法國阿格乏燃料後處理廠(圖片來自網路)

後處理產生的中低放廢料,其所含的放射性核素最終被固結在固化體中,封裝在包裝容器內之後,把它們埋藏在專門的混凝土構築物內,即中低放廢物處置場。高放廢液與玻璃體熔融在一起,注入專用的不鏽鋼容器內形成玻璃固化體,即所謂的高放廢物,貯存一段時間後,等待最終的深地質(通常認為大於300米的地下場所)處置,與直接的處置類似。

2)中子毒物部分排除:將燃燒過的煤中不能繼續燃燒的部分分離提取,提取質量佔比很低,其他大部分一鍋燴製成新煤。就是將有毒中子核素從乏燃料中部分提取,其他大部分製成新燃料(圖8)。例如:液態核燃料的後處理,加速器驅動先進核能系統(ADANES)等。

圖8 中子毒物部分排除示意圖(圖片來自網路)

圖8 中子毒物部分排除示意圖(圖片來自網路)

3)其他:理想的蠟燭堆概念,其一次性裝料可以連續運行數十年甚至上百年,類似於快中子堆。其特點就是無須換料及後處理,像蠟燭一樣沒有什麼乏料產生。

圖9 蠟燭堆概念圖(圖片來自網路)

圖9 蠟燭堆概念圖(圖片來自網路)

結語:

近年來,隨著國際核能發展形勢的變化,世界主要的核能國家都將乏燃料後處理技術列入本國的核能發展計劃,並加大了研究投入,也提了一些創新性的思路和流程。目前乏燃料後處理體系尚待完善,中國正在探索適合自己的發展道路。

參考文獻:

1. 國家核安全局,核電廠放射性廢物有歸宿,2015

2. 顧忠茂,柴之芳,關於我國核燃料後處理/再循環的一些思考,2011

3. 知乎,核技術-乏燃料後處理

4. 知乎,什麼是核廢料?應不應該後處理?

5. 韋悅周,國外核燃料後處理化學分離技術的研究進展及考察,2011

6. 詹文龍,徐瑚珊,未來先進核裂變能-ADS嬗變系統,2012

7. 詹文龍,楊磊,閆雪松等,加速器驅動先進核能系統及其研究進展,2019

8. 知乎,連比爾蓋茲都看好的行波堆,到底行不行?