乏核燃料的處置仍然是一項全球性的重大挑戰。僅在俄羅斯，每年就有約650噸放射性廢物從核電站反應堆中被清除。

目前大部分核廢料僅采取簡單填埋處理，僅約15%得到回收利用。但圣彼得堡科學家團隊已研發出革命性技術，可實現對乏核燃料的再處理，并能對核電站組件，包括輻照反應堆石墨進行無害化處理——這種材料已成為全球核能發展的重大障礙。該科研團隊負責人、物理數學博士安娜·彼得羅夫斯卡婭在接受《科學俄羅斯》雜志采訪時詳細闡釋了這項創新技術的工藝流程。

應對當前困境

乏核燃料仍然是核電站運營國家面臨的重大挑戰。彼得羅夫斯卡婭博士指出，首要問題在于經年累積的乏燃料數量驚人，給安全管理與長期處置帶來復雜挑戰。

她解釋道：“全球有數十萬噸乏核燃料，僅俄羅斯就有約2.5萬噸。”

她補充說，現有的乏核廢料后處理技術不足，因為最常用的放射化學方法會產生大量的二次液態放射性廢物，并且需要多階段工藝才能從乏燃料中分離出多達40種不同的化學元素。這些工藝既昂貴又耗時。

填埋之困

盡管填埋常被視為解決方案，但彼得羅夫斯卡婭博士指出這不過是“將問題延后”。

她解釋說：“無論是深地質處置還是近地表填埋，都無法從根本上解決放射性廢料的長期管理難題。為了實現核燃料閉式循環并有效地處理乏核燃料，我們需要新的、更高效的方法。”

獨特的解決方案：離子-等離子體技術

彼得羅夫斯卡婭博士團隊開發的突破性技術基于離子-等離子體與離子-熱化學聯合處理方法。該技術利用短時等離子體放電，在惰性氣體環境中將乏燃料霧化，從而避免了液態放射性廢物的產生。然后，根據冷凝溫度的差異，原子被分離，鈾和钚等化學元素的分離效率高達99%。

彼得羅夫斯卡婭解釋道：“現有等離子離心機僅能將乏燃料粗分為輕重兩類，而我們的技術可精準分離每一種元素。”

她指出，這項技術同時具備顯著成本優勢，預計每公斤燃料的運營成本僅為20 美元。

再利用和降低放射性

鈾和钚等裂變元素一旦分離，即可重新利用，制造新的核燃料。其他高放射性成分，例如鍶-90，則可以直接在快中子反應堆中“燃燒”，將其轉化為穩定或短壽命同位素，從而減少核能產生的放射性廢物總量。彼得羅夫斯卡婭的團隊還在探索將這些元素用于新型β-伏打電池——這種創新電源可以為心臟起搏器、太空探索甚至消費電子產品等應用提供“永恒”能源。

乏燃料再處理現狀幾何?

盡管俄羅斯在技術上取得了突破，但彼得羅夫斯卡婭博士指出，在全球范圍內，只有一小部分乏核燃料得到了再處理。

她說道：“例如，在美國，乏核燃料通常被儲存而不是再處理，因為老技術對他們來說更經濟可行。”

然而，她警告說，如果沒有高效的再處理方法，閉式核燃料循環就不可能實現。

由于天然鈾235預計將在未來40至80年內耗盡，閉式核燃料循環變得越來越重要。俄羅斯擁有技術優勢的快中子反應堆被視為解決這一問題的潛在方案。

快中子反應堆和高效再處理技術的需求

俄羅斯在這一領域取得了重大進展，已經建造了快中子反應堆原型，并正在測試新型MOX和SNUP燃料。但彼得羅夫斯卡婭博士強調，即使有了快中子反應堆，仍然需要高效的再處理技術來實現燃料閉式循環。

她解釋說：“即使在快中子反應堆的乏燃料中，也殘留著超過20%的必需裂變元素，例如鈾和钚。”

俄羅斯的技術領先地位

彼得羅夫斯卡婭博士團隊的再處理技術獨一無二。雖然其他技術，例如等離子離心機，已經開發出將乏燃料分離成兩部分的技術，但彼得羅夫斯卡婭的技術可實現單質元素的精準分離。此外，該技術經濟可行，這將改變核工業的格局。

除了對乏燃料進行再處理外，該團隊還開發了解決輻照石墨鈍化的方法，這是世界范圍尚未攻克的難題。該技術與俄羅斯核動力康采恩公司和俄羅斯國家原子能公司合作獲得了專利，被視為反應堆退役的潛在解決方案，尤其是在俄羅斯多家核電站使用的RBMK反應堆。

全球影響

這項技術的意義已超出俄羅斯。彼得羅夫斯卡婭博士認為，這項技術對于福島核事故的后續處理尤其有益，因為福島核事故需要處理大量放射性廢料。

她解釋道，“福島的核廢料中，熔融鈾造成的破壞使得現有技術難以應對”，“但憑借我們的技術，我們可以有效地處理放射性金屬結構的失活問題，這對日本來說將大有裨益”。

未來之路

彼得羅夫斯卡婭博士認為，閉式核燃料循環和開發更高效的再處理技術不僅是俄羅斯的課題，也是全世界的課題。

她總結道：“核能的未來取決于我們解決這些問題的能力，而我們的技術是邁向這個目標的關鍵一步。”

俄羅斯在先進核技術發展方面處于領先地位，包括乏燃料再處理和受輻照材料鈍化方面的技術突破，這使得俄羅斯在應對全球核廢料管理挑戰方面發揮著關鍵作用。隨著世界對核能的依賴日益加深，此類創新或許將成為實現更安全、更可持續能源未來的關鍵。