核廢料的最終歸宿

陳釗

提到核廢料，幾乎所有人都會(huì)避之不及；然而，瑞典的兩座小鎮(zhèn)為建造一座永久性核廢料儲(chǔ)存庫(kù)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)7年的競(jìng)爭(zhēng)。最終，奧薩馬爾鎮(zhèn)勝出。按照規(guī)劃，這座永久性核廢料儲(chǔ)存庫(kù)將于2020年建成，屆時(shí)它將成為世界上第一座永久性核廢料儲(chǔ)存庫(kù)。

同樣在歐洲，德國(guó)人對(duì)核廢料的態(tài)度卻截然不同。2011年11月，一輛載有核廢料的列車從法國(guó)拉阿格核廢料處理廠運(yùn)往德國(guó)核廢料暫存地戈萊本的途中，遭到了反核組織成員的抗議阻攔，以至于德國(guó)警方不得不出動(dòng)警力全程護(hù)送，并臨時(shí)拘捕了1300多人。

在美國(guó)，核廢料處理難題同樣困擾著聯(lián)邦政府。在內(nèi)華達(dá)州的尤卡山上，有一座由美國(guó)聯(lián)邦政府花費(fèi)22年時(shí)間建造的永久性核廢料存儲(chǔ)庫(kù)，那里曾被認(rèn)為是美國(guó)核廢料的最佳儲(chǔ)存地。然而奧巴馬政府上臺(tái)后，卻反對(duì)該計(jì)劃，并于2010年3月撤銷尤卡山存儲(chǔ)庫(kù)的許可申請(qǐng)，尤卡山計(jì)劃正式終止?，F(xiàn)在，美國(guó)國(guó)內(nèi)5萬(wàn)噸核廢料的去處依然是個(gè)問(wèn)號(hào)。

從上面幾件事，足以看出核廢料處理問(wèn)題的復(fù)雜與困難。面對(duì)成千上萬(wàn)噸的核廢料，即使是世界上最發(fā)達(dá)的國(guó)家，也沒(méi)能給出一個(gè)圓滿的解決方案。中國(guó)已然進(jìn)入核能快速發(fā)展時(shí)期，在不久的將來(lái)，核廢料處理問(wèn)題也將浮現(xiàn)。

那么，核廢料處理之路究竟在何方？

什么是核廢料

核廢料，是指帶有放射性的廢料，它不僅產(chǎn)生于核電站中，也產(chǎn)生于核燃料生產(chǎn)加工、醫(yī)院、同位素生產(chǎn)等領(lǐng)域。和其他工業(yè)廢料相比，核廢料最大的特點(diǎn)就在于帶有放射性，其危害來(lái)源也正是放射性。根據(jù)放射性強(qiáng)度的不同，核廢料可分為高放廢料和中低放廢料（表1）。高放廢料主要來(lái)源于核電站燃燒后的核燃料，一般稱為乏燃料。這些乏燃料由于在核電站堆芯中發(fā)生了裂變反應(yīng)，具有很強(qiáng)的放射性。中低放廢料則包括所有未被列為高放廢料的核廢料，它主要來(lái)源于核電站使用過(guò)的廢棄退役的儀器設(shè)備，核燃料生產(chǎn)加工中產(chǎn)生的廢料和醫(yī)院廢棄的放射醫(yī)療設(shè)備、工作服及手套等。

核廢料中的大部分屬于中低放廢料，約占97%，在這97%的體積中，卻只含有約5%的放射性，由此可以看出，這些核廢料放射性強(qiáng)度不高，危害較低。對(duì)于中低放廢料的處理，國(guó)際上通行的做法是將其裝入特質(zhì)的容器，運(yùn)到具有專門(mén)輻射防護(hù)屏障的處理廠，進(jìn)行地下掩埋或焚燒。一段時(shí)間后，這些核廢料中的放射性物質(zhì)就會(huì)衰變成對(duì)人體無(wú)害的物質(zhì)。

高放廢料總量很少，只占核廢料總量的約3%。有人曾做過(guò)比較，如果美國(guó)所有的電力都由核電站提供的話，人均產(chǎn)生的核廢料只有39.5克，而如果美國(guó)所有的電力都由燃煤電廠提供的話，僅人均產(chǎn)生的二氧化碳就有10噸，還不包括其他有污染的氣體和粉塵顆粒。但是，在這極少量的高放廢料中包含有約95%的放射性，而且半衰期長(zhǎng)達(dá)幾十萬(wàn)年。

令人頭疼的高放廢料

高放廢料的危害之大，在于其中含有多種對(duì)人體危害極大的高放射性元素。

上表列出了典型核電站乏燃料的成分。其中大部分是鈾，這些鈾是還沒(méi)有燃燒完的核燃料，可以通過(guò)后處理工藝提取出來(lái)，再重新投放到核電站中使用。目前，這項(xiàng)技術(shù)在法國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，我國(guó)也開(kāi)展了相關(guān)研究。

其中的钚是由于鈾原子吸收中子但沒(méi)有發(fā)生裂變反應(yīng)而產(chǎn)生的，這種元素同樣可以通過(guò)處理工藝提取出來(lái)，作為核燃料使用。钚同時(shí)還是制造核武器的重要原料。在理想假設(shè)中，只要有4000克钚原料（甚至更少），搭配復(fù)雜的裝配設(shè)計(jì)，就可以制造出一個(gè)原子彈。所以，防止這些含有钚元素的高放廢料被恐怖分子拿到，也是國(guó)際上防止核擴(kuò)散的重要內(nèi)容之一。

其中的次錒系元素，名字我們都很陌生，在日常生活中也不會(huì)見(jiàn)到，它們也是由核燃料中的鈾原子吸收中子后沒(méi)有發(fā)生裂變反應(yīng)而產(chǎn)生的新元素。這些元素具有非常強(qiáng)的放射性，而且它們的半衰期長(zhǎng)達(dá)幾萬(wàn)年到幾十萬(wàn)年不等，也就是說(shuō)，存放了幾十萬(wàn)年之后，才能衰減掉一半放射性。

剩下的就是裂變產(chǎn)物，包括鍶-90，銫-137和碘-131等。這些元素都具有較強(qiáng)的放射性，如果直接接觸或吸入體內(nèi)，會(huì)對(duì)人體器官造成傷害；不過(guò)，只有當(dāng)它們達(dá)到一定劑量后，才會(huì)對(duì)人體造成傷害。

目前，世界上約有十幾萬(wàn)噸高放廢料，每年以約8000噸的速度增長(zhǎng)。世界上高放廢料存儲(chǔ)量最多的是美國(guó)，約5萬(wàn)噸，歐洲和亞洲分別是3.5萬(wàn)噸左右。我國(guó)目前高放廢料存量還比較少。但是，隨著我國(guó)核能的快速發(fā)展，這個(gè)數(shù)字在逐年增加。

解決方案

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)對(duì)于核廢料的處理和處置要求很嚴(yán)格，尤其是高放廢料。安全和永久是處理核廢料的兩個(gè)必需條件。高放廢料的處理一般要經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段，分別是暫存階段和長(zhǎng)期處理階段。從核電站中取出的乏燃料放射性非常強(qiáng)，溫度也非常高，無(wú)法立即進(jìn)行處理。目前通行的做法是，在核電站里建造一座乏燃料水池，將剛剛?cè)〕龅姆θ剂贤ㄟ^(guò)機(jī)械設(shè)備運(yùn)送到乏燃料水池中進(jìn)行冷卻。水是一種很好的冷卻劑，同時(shí)又是一種很好的輻射屏蔽材料，將乏燃料放入水池中可以很安全。大約經(jīng)過(guò)5年時(shí)間的水中存儲(chǔ)，這些乏燃料的熱量和放射性都降低到了可以操作的水平。這時(shí)候，就需要將這些乏燃料通過(guò)特質(zhì)容器進(jìn)行分裝，進(jìn)入長(zhǎng)期處理階段。

對(duì)于乏燃料的長(zhǎng)期處理，目前有兩種不同的技術(shù)路線，分別是“直接處置”和“再處理”。

“直接處置”是指將從核電站乏燃料水池中取出的核廢料，直接進(jìn)行封裝固化，然后深地填埋。這種方法操作簡(jiǎn)單，而且可以防止核擴(kuò)散。美國(guó)政府一直采取這種辦法處理核廢料。

“再處理”是指將乏燃料進(jìn)行后處理，把其中可以回收利用的元素如鈾、钚等提取出來(lái)，進(jìn)行再利用，剩下的次錒系元素和裂變產(chǎn)物，再固化封裝，進(jìn)行最終處理。“再處理”法不僅可以提高核燃料的利用率，而且可以將高放核廢料的體積減小10倍。目前，法國(guó)、俄羅斯、日本等核能大國(guó)都采用“再處理”法進(jìn)行本國(guó)核廢料的處理。不過(guò)，“再處理”法也存在比較高的核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)，這也正是美國(guó)政府一直不采用此方法的主要原因。

無(wú)論“直接處置”，還是“再處理”，都需要一個(gè)高放廢料的最終處理方案。為了尋找安全處理高放廢料的方法，人類從20世紀(jì)50年代起就開(kāi)始了相關(guān)研究。有人曾提出，用火箭把高放廢料送到太空中，或者把高放廢料放置在南極或北極的冰蓋上，由高放廢料本身產(chǎn)生的熱量融化冰層，使廢料桶最終沉到冰層底部等；但是，這些方法不是費(fèi)用太高，就是在技術(shù)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。最重要的是，它們都無(wú)法確保絕對(duì)安全，而這恰恰是高放廢料處理的基本要求。經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)與研究，目前世界上公認(rèn)的最安全可行的方法就是深地填埋法，即將高放廢料永久保存在地下深處的特殊倉(cāng)庫(kù)中。

講到這里，我們可以回到文章開(kāi)頭講到的事件了。尋找一個(gè)安全、永久存放核廢料的地點(diǎn)，并不是一件容易的事。這個(gè)地點(diǎn)要求地理環(huán)境特別穩(wěn)定，長(zhǎng)久地不受水和空氣的侵蝕，并能經(jīng)受住地震、火山、爆炸的沖擊。

中國(guó)的計(jì)劃

對(duì)于核廢料的處理，我國(guó)政府和科學(xué)家從來(lái)沒(méi)有怠慢過(guò)。我國(guó)從1986年開(kāi)始研究探索核廢物的處置地點(diǎn)。

2006年，科技部等部門(mén)共同制定了《高放廢物地質(zhì)處置研究開(kāi)發(fā)規(guī)劃指南》，制定了一個(gè)三階段的策略：到2020年，選擇處置庫(kù)的場(chǎng)址，建成地下實(shí)驗(yàn)室；2020～2040年，依托地下實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)；2040年開(kāi)始建造處置庫(kù)，到2050年建成處置庫(kù)。屆時(shí)，可以接收核廢物，開(kāi)始正式運(yùn)行。

2010年，中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)和法國(guó)阿?，m集團(tuán)簽署協(xié)議，計(jì)劃在我國(guó)西北地區(qū)建設(shè)一座年處理規(guī)模達(dá)到800噸的乏燃料后處理基地，工程造價(jià)預(yù)計(jì)達(dá)到2000億人民幣。

2011年，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了“創(chuàng)新2020”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”，計(jì)劃投入數(shù)十億人民幣開(kāi)展核廢料嬗變處理的研究。核廢料嬗變處理是指將原本準(zhǔn)備進(jìn)行深地填埋的高放核廢料，放到一種先進(jìn)的核能系統(tǒng)ADS（加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)）中，采用高能中子轟擊高放核素，進(jìn)行嬗變處理。這種嬗變處理可以將高放廢料的半衰期從幾十萬(wàn)年減少至幾百年。也就說(shuō)，原本需要存放幾十萬(wàn)年的高放廢料，經(jīng)過(guò)處理后，只需存放幾百年就可以了。如果能夠按計(jì)劃實(shí)施，屆時(shí)中國(guó)將是世界上第一個(gè)建成此類裝置的國(guó)家，核廢料處理技術(shù)也將處于世界領(lǐng)先水平。

【責(zé)任編輯】趙 菲endprint