近期發(fā)生的日本向太平洋傾倒核廢水事件，再次引起國際社會對于核廢料的的廣泛關(guān)注。那么，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

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）主要來源于核電站燃燒后的核燃料（占總量5%以下），這些乏燃料中含有大量未用完的燃料鈾和新產(chǎn)生的元素（如钚，镎，鍶，銫等），具有很強的放射性。

中低放廢料主要來源于核燃料循環(huán)、醫(yī)院、同位素生產(chǎn)等領(lǐng)域（占總量95%以上）。例如：核燃料加工中產(chǎn)生含鈾廢液；反應堆運行產(chǎn)生的活化水；燃料后處理產(chǎn)生的中低放廢料；醫(yī)院廢棄的放射性醫(yī)療設(shè)備；同位素生產(chǎn)中的產(chǎn)生的廢料等。目前對于中低放廢料的處理方法為，將其裝入特質(zhì)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(chǎn)生和處理過程。

圖2鈾-235核裂變示意圖

全球現(xiàn)存的商業(yè)化核電站都是通過核裂變方式實現(xiàn)發(fā)電。當放射性核素一分為二發(fā)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(shè)計不盡相同，但總的來說，原理均時通過堆芯產(chǎn)生的熱量將水氣化，來帶動渦輪發(fā)電機進行發(fā)電。核燃料在核電廠中使用5-8年后，已經(jīng)釋放了足夠的能量，鈾含量的降低，使核燃料不再具有持續(xù)工作的能力，但它還在持續(xù)釋放遠超致死量的輻射，所以如何處置它們是目前最為關(guān)注的問題。目前世界主要核工業(yè)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(huán)。
 

核廢料的直接處置
 

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

圖3核廢料被儲存在硼水池中，大概幾十年之后再進行永久處置

大多數(shù)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(jīng)濟便捷的儲存措施。一般情況，這些水池建于核電站中，方便將反應堆中的使用過燃料棒轉(zhuǎn)移到水中并加以臨時儲存。這些使用過的燃料棒在水中仍然可以發(fā)射能量，因此池水會被加熱，需要冷卻系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，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(tǒng)將停止工作，導致水溫不斷升高并沸騰，失去了水，輻射便會釋放的環(huán)境中。事實上，這恰恰就是發(fā)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(huán)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(chǎn)生大量放射性廢液，雖然已經(jīng)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污水。全球現(xiàn)存的所有核廢料儲存區(qū)都不是長期有效的，它們不過是臨時性的核廢料暫存區(qū)域，直到一個長期儲存區(qū)的建立來取代它們。
 

圖4廢棄的核燃料棒將放置在特制容器中，這種特制容器由純銅包裹的鑄鐵罐制成，厚度達到兩英寸，耐腐蝕性非常高

圖5裝滿核廢料的容器將被焊接密封，然后被放入深達26英尺的存儲管內(nèi)。而整個管道將被膨潤土這種吸水粘土填滿

核廢料在水池中冷卻幾十年后，它通常會被移動到特質(zhì)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(xiàn)在人類的出現(xiàn)約20萬年，所以核廢料的儲存應該獨立于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(jīng)在地下400多米的基巖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(shù)百年后，這些存放地點會不會發(fā)生破壞是無法預料的。因此永久儲存庫的長期安全性、經(jīng)濟性以及對人類與社會發(fā)展的影響需要人們的持續(xù)關(guān)注。
 

核廢料閉式循環(huán)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后處理。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(jīng)不能燃燒了，其余99%中大都是可以繼續(xù)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(zhì)量占到原有質(zhì)量的95%以上，之后制備成新煤繼續(xù)燃燒。就是將鈾，钚，超鈾等有用核素從乏燃料中精細分離提取制成新燃料，常用有PUREX技術(shù)（圖6），該技術(shù)本身存在萃取工藝流程復雜，設(shè)備規(guī)模大，產(chǎn)生大量的難處理有機廢液等問題；后處理廠投資巨大、建設(shè)周期長、經(jīng)濟性不高，世界上擁有后處理廠的國家并不多。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7法國阿格乏燃料后處理廠

后處理產(chǎn)生的中低放廢料，其所含的放射性核素最終被固結(jié)在固化體中，封裝在包裝容器內(nèi)之后，把它們埋藏在專門的混凝土構(gòu)筑物內(nèi)，即中低放廢物處置場。高放廢液與玻璃體熔融在一起，注入專用的不銹鋼容器內(nèi)形成玻璃固化體，即所謂的高放廢物，貯存一段時間后，等待最終的深地質(zhì)（通常認為大于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(xù)燃燒的部分分離提取，提取質(zhì)量占比很低，其他大部分一鍋燴制成新煤。就是將有毒中子核素從乏燃料中部分提取，其他大部分制成新燃料（圖8）。例如：液態(tài)核燃料的后處理，加速器驅(qū)動先進核能系統(tǒng)（ADANES）等。
 

圖8中子毒物部分排除示意圖

3）其他：理想的蠟燭堆概念，其一次性裝料可以連續(xù)運行數(shù)十年甚至上百年，類似于快中子堆。其特點就是無須換料及后處理，像蠟燭一樣沒有什么乏料產(chǎn)生。
 

圖9蠟燭堆概念圖

結(jié)語：
 

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