一座叫核廢料的金礦

方陵生

核，有人趨之若鶩，有人避之不及，但它是禍?zhǔn)歉?，其?shí)還是由人類決定的。哪怕是它的廢料，只要我們愿意，也可點(diǎn)石成金。

核技術(shù)的出現(xiàn)，既代表著人類科學(xué)技術(shù)水平的飛躍，也揭開了地球資源日益枯竭的瘡疤。人類最初的愿景，是想讓“原子能造福千萬人”。在歐洲大陸的高盧山區(qū)，聳立著近百座核電站，它們提供了法國所有電力的76%，讓法國成了歐洲電力最便宜的國家。

而在核技術(shù)先驅(qū)的美國，僅是由核電廠鈾裂變產(chǎn)生的大量钚、镅和其他放射性廢物，就早已堆積如山，多達(dá)7.7萬多噸。

如果我們能妙手回春，讓這些看似已無用處的廢料重現(xiàn)光彩，那么這些核廢物極有可能成為下個世紀(jì)地球的主要能源動力。

另一種選擇

這些放射性廢料被稱為“鈾后元素”，它們的放射性可持續(xù)幾千年。目前人類處理它們的方法，主要是存儲在用混凝土封閉起來的水池中，或是鋼制的容器內(nèi)。

當(dāng)然，民眾對于這些放射性廢料的莫名恐慌依然存在，有關(guān)它們的最后歸宿，也引起了許多激烈的爭論。2013年8月，美國哥倫比亞特區(qū)巡回上訴法院，就要求政府對尤卡山核廢料垃圾場重新規(guī)劃。

但也許我們還有一個更好的解決方案——將核廢料轉(zhuǎn)化為電能。目前，第四代核反應(yīng)堆系統(tǒng)（Gen-IV）已經(jīng)可以高效地進(jìn)行這種轉(zhuǎn)化，將鈾后元素分解為一些放射性持續(xù)時間較短的物質(zhì)，從而極大程度地解決了能源浪費(fèi)和核廢料污染的問題。也許不久之后，放射性核廢料不再是一個令人頭痛的問題，而將成為一座有待進(jìn)一步開發(fā)的金礦。

高效的快堆

美國現(xiàn)有的核反應(yīng)堆以及世界上大多數(shù)反應(yīng)堆，采用的都是輕水技術(shù)，即將鈾棒組浸在水中，以水作為冷卻劑。鈾原子在裂變過程中釋放能量，在捕獲移動的中子時分裂成兩個新元素，釋放出2-3個中子以及熱量，令水沸騰變成水蒸氣，水蒸氣再推動渦輪機(jī)發(fā)電。但原子反應(yīng)還在繼續(xù)，并產(chǎn)生了钚和其他元素。

為使裂變反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，釋放的中子需要與鈾原子碰撞。但是中子的移動速度太快，很難捕獲，因此要通過鈾棒周圍的水分子讓中子運(yùn)動變緩，達(dá)到持續(xù)裂變反應(yīng)所需要的速度。

鈾棒經(jīng)過一段時間的裂變反應(yīng)之后，就會被當(dāng)作核廢料從反應(yīng)堆中清除，當(dāng)被扔到核廢料堆上時，它所消耗的鈾原子只有5%而已。其實(shí)，燃料棒上的钚原子，以及剩余的鈾原子，都還可以在輕水反應(yīng)堆中繼續(xù)進(jìn)行裂變反應(yīng)，只是效率較低罷了。而钚需要快速移動的中子來分裂其原子，因此，第四代核反應(yīng)堆系統(tǒng)最大的改變就是使用了快速反應(yīng)中子，也就是“快堆”技術(shù)（使用快速反應(yīng)中子的反應(yīng)堆就被稱為快堆）。

“減少”半衰期

第四代核反應(yīng)堆幾乎可以完全提取廢棄鈾棒中的能量。美國核能研究所高級主管保羅·吉諾亞（Paul Guenoah）說：“Gen-IV反應(yīng)堆不像它的前輩，只能提取鈾燃料中5%～6%的能量，它能將這個數(shù)值提高至95%左右?！?/p>

此外，Gen-IV反應(yīng)堆產(chǎn)生的元素比鈾后元素衰減速度更快?！扳櫤笤氐陌胨テ谝话阍趲资f年，但如果我們將它們分解成碘和其他元素，那么其半衰期大約只有10～30年?！蓖ㄓ秒姎馊樟⒑四艿募夹g(shù)主管埃里克·羅文（Roman Tam Eric）說道。

目前，通用日立公司已完成了被稱為PRISM（動力反應(yīng)堆創(chuàng)新小模塊）的第四代快速反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)工作，并已準(zhǔn)備提供給商用電力公司使用。在PRISM反應(yīng)堆內(nèi)，钚燃料棒將懸浮在大量液態(tài)鈉之中，來自核反應(yīng)的熱量會令反應(yīng)堆堆芯外套管中的水沸騰，進(jìn)而發(fā)電。

更安全

事實(shí)上，快堆的構(gòu)想并不新鮮，美國在1951年開始運(yùn)行的第一個反應(yīng)堆就是快堆，使用鈾和鈾裂變反應(yīng)產(chǎn)生的钚作為燃料。當(dāng)時鈾是一種稀缺而珍貴的物質(zhì)，因此從鈾燃料中獲取最多能量的反應(yīng)堆顯得尤為重要。但當(dāng)?shù)刭|(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球上有足夠的鈾之后，鈾開始變得相對廉價，并得到了廣泛的應(yīng)用。人們覺得不再需要更高效的反應(yīng)堆，而且鈉冷快堆的安全性也是一個令人擔(dān)心的問題，鈉是一種高度易燃物，與水接觸會產(chǎn)生劇烈反應(yīng)，這一點(diǎn)在我們的初中化學(xué)課程中就已介紹過。俄羅斯和印度的快堆，都曾因鈉泄露而發(fā)生過火災(zāi)事故。

但通用日立表示，他們設(shè)計(jì)的PRISM可杜絕這種意外泄漏——反應(yīng)堆將被安置在防腐蝕的不銹鋼容器內(nèi)，并加裝了相應(yīng)的檢漏系統(tǒng)。羅文介紹說，與輕水反應(yīng)堆相比，PRISM更具安全優(yōu)勢，因?yàn)槿剂稀⒗鋮s劑和包層都是金屬材料，熱阻比水更低。溫度過高時，熱量可以很容易地從反應(yīng)堆容器內(nèi)釋放到空氣中，而不會導(dǎo)致泵和閥門炸毀。此外，鉛或熔鹽也可作為快堆的冷卻劑，只不過它們會對不銹鋼產(chǎn)生一定的腐蝕作用。

未來需要你

雖然如今的快堆技術(shù)已經(jīng)相對完善，但推廣這項(xiàng)技術(shù)還存在一個很大的障礙——費(fèi)用。目前的快堆技術(shù)相當(dāng)昂貴，投入與產(chǎn)出不成正比，是非?！安粚?shí)惠”的。美國加州大學(xué)伯克利分校（University of California， Berkeley）工程系的佩爾·彼得森（Pedersen Pell）教授說：“從經(jīng)濟(jì)效益考慮，核工業(yè)部門更愿意采用輕水反應(yīng)堆發(fā)電，哪怕它會產(chǎn)生一大堆核廢料?！?/p>

彼得森認(rèn)為，快堆技術(shù)終究會有走向市場的一天，關(guān)鍵是要找到高效利用核廢料的途徑。然而到目前為止，美國采用的仍是實(shí)施了31年之久的核廢料掩埋計(jì)劃，而不是開發(fā)利用核廢料中的能量。就在兩年前，麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的穆杰德·卡茲米（Kazemi Mujd）和歐內(nèi)斯特·莫尼茲（Moniz Ernest）兩位核專家在合著的論文中指出，在未來幾十年里，只要可以獲得廉價的鈾，傳統(tǒng)反應(yīng)堆仍將會是核電工業(yè)的首選技術(shù)。

從大家的擔(dān)憂和實(shí)際考慮來看，我們不難發(fā)現(xiàn)，即便已經(jīng)有了能夠開發(fā)放射性核廢料這座金礦的快堆技術(shù)，但至少在未來幾十年內(nèi)，核廢料還將繼續(xù)當(dāng)成一種令人頭痛的廢物而被白白浪費(fèi)。相信隨著快堆技術(shù)的日臻成熟，會有更多人見識到它最大程度降低核廢料生產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)放射性廢物最小化的能力。發(fā)展和推廣快堆技術(shù)，可以從根本上解決世界能源的可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展問題。

中國的快堆研究始于1965年，歷經(jīng)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究階段，1995年已開始進(jìn)入設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。

2010年7月21日，由中核集團(tuán)中國原子能科學(xué)研究院自主研發(fā)的中國第一座快中子反應(yīng)堆——中國實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）達(dá)到首次臨界，并于2014年12月15日首次達(dá)到100%功率。