核廢料的最終歸宿

陳釗

提到核廢料，幾乎所有人都會避之不及；然而，瑞典的兩座小鎮(zhèn)為建造一座永久性核廢料儲存庫進行了長達7年的競爭。最終，奧薩馬爾鎮(zhèn)勝出。按照規(guī)劃，這座永久性核廢料儲存庫將于2020年建成，屆時它將成為世界上第一座永久性核廢料儲存庫。

同樣在歐洲，德國人對核廢料的態(tài)度卻截然不同。2011年11月，一輛載有核廢料的列車從法國拉阿格核廢料處理廠運往德國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，以至于德國警方不得不出動警力全程護送，并臨時拘捕了1300多人。

在美國，核廢料處理難題同樣困擾著聯(lián)邦政府。在內(nèi)華達州的尤卡山上，有一座由美國聯(lián)邦政府花費22年時間建造的永久性核廢料存儲庫，那里曾被認為是美國核廢料的最佳儲存地。然而奧巴馬政府上臺后，卻反對該計劃，并于2010年3月撤銷尤卡山存儲庫的許可申請，尤卡山計劃正式終止。現(xiàn)在，美國國內(nèi)5萬噸核廢料的去處依然是個問號。

從上面幾件事，足以看出核廢料處理問題的復(fù)雜與困難。面對成千上萬噸的核廢料，即使是世界上最發(fā)達的國家，也沒能給出一個圓滿的解決方案。中國已然進入核能快速發(fā)展時期，在不久的將來，核廢料處理問題也將浮現(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，核廢料最大的特點就在于帶有放射性，其危害來源也正是放射性。根據(jù)放射性強度的不同，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，它主要來源于核電站使用過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度不高，危害較低。對于中低放廢料的處理，國際上通行的做法是將其裝入特質(zhì)的容器，運到具有專門輻射防護屏障的處理廠，進行地下掩埋或焚燒。一段時間后，這些核廢料中的放射性物質(zhì)就會衰變成對人體無害的物質(zhì)。

高放廢料總量很少，只占核廢料總量的約3%。有人曾做過比較，如果美國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，而且半衰期長達幾十萬年。

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，這些鈾是還沒有燃燒完的核燃料，可以通過后處理工藝提取出來，再重新投放到核電站中使用。目前，這項技術(shù)在法國已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化，我國也開展了相關(guān)研究。

其中的钚是由于鈾原子吸收中子但沒有發(fā)生裂變反應(yīng)而產(chǎn)生的，這種元素同樣可以通過處理工藝提取出來，作為核燃料使用。钚同時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，就可以制造出一個原子彈。所以，防止這些含有钚元素的高放廢料被恐怖分子拿到，也是國際上防止核擴散的重要內(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見到，它們也是由核燃料中的鈾原子吸收中子后沒有發(fā)生裂變反應(yīng)而產(chǎn)生的新元素。這些元素具有非常強的放射性，而且它們的半衰期長達幾萬年到幾十萬年不等，也就是說，存放了幾十萬年之后，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的放射性，如果直接接觸或吸入體內(nèi)，會對人體器官造成傷害；不過，只有當(dāng)它們達到一定劑量后，才會對人體造成傷害。

目前，世界上約有十幾萬噸高放廢料，每年以約8000噸的速度增長。世界上高放廢料存儲量最多的是美國，約5萬噸，歐洲和亞洲分別是3.5萬噸左右。我國目前高放廢料存量還比較少。但是，隨著我國核能的快速發(fā)展，這個數(shù)字在逐年增加。

解決方案

國際原子能機構(gòu)對于核廢料的處理和處置要求很嚴格，尤其是高放廢料。安全和永久是處理核廢料的兩個必需條件。高放廢料的處理一般要經(jīng)過兩個階段，分別是暫存階段和長期處理階段。從核電站中取出的乏燃料放射性非常強，溫度也非常高，無法立即進行處理。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^機械設(shè)備運送到乏燃料水池中進行冷卻。水是一種很好的冷卻劑，同時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5年時間的水中存儲，這些乏燃料的熱量和放射性都降低到了可以操作的水平。這時候，就需要將這些乏燃料通過特質(zhì)容器進行分裝，進入長期處理階段。

對于乏燃料的長期處理，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，直接進行封裝固化，然后深地填埋。這種方法操作簡單，而且可以防止核擴散。美國政府一直采取這種辦法處理核廢料。

“再處理”是指將乏燃料進行后處理，把其中可以回收利用的元素如鈾、钚等提取出來，進行再利用，剩下的次錒系元素和裂變產(chǎn)物，再固化封裝，進行最終處理。“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、俄羅斯、日本等核能大國都采用“再處理”法進行本國核廢料的處理。不過，“再處理”法也存在比較高的核擴散風(fēng)險，這也正是美國政府一直不采用此方法的主要原因。

無論“直接處置”，還是“再處理”，都需要一個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50年代起就開始了相關(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，這些方法不是費用太高，就是在技術(shù)上無法實現(xiàn)。最重要的是，它們都無法確保絕對安全，而這恰恰是高放廢料處理的基本要求。經(jīng)過多年的試驗與研究，目前世界上公認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庫中。

講到這里，我們可以回到文章開頭講到的事件了。尋找一個安全、永久存放核廢料的地點，并不是一件容易的事。這個地點要求地理環(huán)境特別穩(wěn)定，長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。

中國的計劃

對于核廢料的處理，我國政府和科學(xué)家從來沒有怠慢過。我國從1986年開始研究探索核廢物的處置地點。

2006年，科技部等部門共同制定了《高放廢物地質(zhì)處置研究開發(fā)規(guī)劃指南》，制定了一個三階段的策略：到2020年，選擇處置庫的場址，建成地下實驗室；2020～2040年，依托地下實驗室開展現(xiàn)場實驗；2040年開始建造處置庫，到2050年建成處置庫。屆時，可以接收核廢物，開始正式運行。

2010年，中國核工業(yè)集團和法國阿海琺集團簽署協(xié)議，計劃在我國西北地區(qū)建設(shè)一座年處理規(guī)模達到800噸的乏燃料后處理基地，工程造價預(yù)計達到2000億人民幣。

2011年，中國科學(xué)院啟動了“創(chuàng)新2020”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“先進核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”，計劃投入數(shù)十億人民幣開展核廢料嬗變處理的研究。核廢料嬗變處理是指將原本準備進行深地填埋的高放核廢料，放到一種先進的核能系統(tǒng)ADS（加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)）中，采用高能中子轟擊高放核素，進行嬗變處理。這種嬗變處理可以將高放廢料的半衰期從幾十萬年減少至幾百年。也就說，原本需要存放幾十萬年的高放廢料，經(jīng)過處理后，只需存放幾百年就可以了。如果能夠按計劃實施，屆時中國將是世界上第一個建成此類裝置的國家，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