核工業可持久發展的基石
——核廢料科學管理與處置

徐 凱

(韓國浦項工科大學(POSTECH)材料科學與工程學院及先進核能中心，韓國 浦項)

核工業可持久發展的基石
——核廢料科學管理與處置

徐 凱

(韓國浦項工科大學(POSTECH)材料科學與工程學院及先進核能中心，韓國 浦項)

徐 凱

核燃料能量密度大、成本低、運輸存儲方便，且在發電過程中不產生任何大氣污染。但核燃料在處理及加工中以及核設施退役過程中，產生的放射性廢物或被其所污染的物質，即核廢料，因難以再循環利用而具有長期危害。因此，如何高效、安全處置核廢料一直是國際社會關注的熱點話題。1978年，美國MRS秋季年會首次設置以科學管理與處置核廢料為主題的Scientific Basis for Nuclear Waste Management分會場，集中重點討論核廢料固化基材(Waste-Form)，涵蓋核廢料的存儲、分離和地質處置等多學科，至此從未間斷。該分會從最開始以尋找合適的固化基材為目標，到今天向更加深入研究固化基材結構、生產工藝、長期化學穩定性模擬計算的實際應用研究邁進。

核廢料；核能；固化基材；核循環；MRS

1 前 言

目前，全球電力約13%由核能提供。法國高達約75%的電力來自核能，居世界第一。而美國每年生產的核能總量(約790太瓦·時/年)位全球首位，滿足約20%的美國電力需求。截止2014年，中國運營的核電站共5座，僅為全國提供約2%的電力。隨著我國經濟的穩步發展和不斷上漲的能源需求，政府已確定大力發展核電以解決化石燃料帶來的嚴重大氣污染。日前有超過30座核電站在建或確認籌建，在建機組數位居世界第一，預計到2020年，將為我國提供約5%的電能。

2 核廢料分類及處理技術

核廢料按放射性水平不同，可分為高、中、低三級。其中，中級和低級放射性廢物占據主要部分，高放廢物較少。全球每年制造超過20萬m3的中、低級放射性廢物，僅產生約1萬m3的高放廢物。一般來說，中、低級廢物放射性低、壽命短，與外界隔絕一定時間，待其主要放射性核素衰變后，采用工藝簡單、成本低廉的瀝青、水泥或塑料等基材將其固化，然后做近地面淺埋處置(<100 m)。而高級放射性廢物數量雖少，但含有較多長壽命的α、β放射體或高強γ放射體，如錒系元素、99Tc，90Sr、137Cs等，對人類活動危害極大，需置入深度大于500 m、透水性差的巖洞中封藏上千年。在做深地質處置之前，如何將這些衰變時間長、放射性強的核素固化在耐輻射、耐長期化學腐蝕的穩定基材中，一直是MRS核廢料科學管理分會場圍繞的中心話題。

硼硅酸鹽玻璃由于其耐輻射性強、化學性質穩定、生產工藝相對簡單，因此已被美、法、英、德、日等國家應用于高放廢物的固化。合成巖固化，又叫晶格固化，由澳大利亞科學家Ringwood教授于20世紀70年代末提出，將放射性核素固化于鈣鈦鋯石、堿硬錳礦、燒綠石、獨居石、鋯英石等晶體結構中，形成更強的耐腐蝕、輻射和抗壓性的穩定基材，使得高放廢物固化更加安全，但由于其生產工藝復雜、操作成本高昂，目前僅限于科學研究。

3 MRS核廢料科學管理分會

參加該分會的研究機構主要來自發達國家的重點實驗室及研究機構，如美國太平洋西北國家實驗室、薩瓦娜河國家實驗室、橡樹嶺和洛斯阿拉莫斯國家實驗室、密西根大學以及西屋電氣、法國原子能科學院、英國謝菲爾德大學、德國核廢料管理中心、澳大利亞核科學與技術研究院和日本原子能研究所。

2014年美國MRS核廢料科學管理分會場除繼續討論核廢料玻璃生產工藝優化和合成巖基材結構外，特別邀請了來自日本九州大學、法國原子能科學院和美國太平洋西北國家實驗室的科學家作了關于易揮發核素129I和99Tc的捕獲、固化和處置研究報告，提出了用金屬硫化物、焦炭溶膠和SiO2氣凝膠等材料捕獲129I的想法和探討了鑄石固化尾氣中99Tc的可行性。澳大利亞和德國的科學家繼續就經高能射線輻照的燒綠石、獨居石做了深入研究，除用傳統的X射線衍射(XRD)分析外，還采用高分辨透射電鏡(HR-TEM)、切入X射線衍射(GIXRD)和時間分辨激光熒光光譜(TRLFS)先進測試手段，證實了這些晶體結構在高能輻射后的穩定性。韓國作為一個新興核能國家，發展迅速，其中約35%的電力來自核能。本次會議，韓國核電公司科學家也受到邀請，介紹了韓國中、低核廢料的玻璃化應用及研究進展。

4 我國突破核電關鍵核心技術刻不容緩

核廢料的處理與處置是核循環的最后一個環節，卻是決定核工業和核能安全利用、能否持久發展的關鍵。我國核廢料處理與處置雖起步較晚，但發展迅速。位于甘肅省的西北處置場已開始運行，但關鍵核心技術還是依賴國外，例如玻璃固化技術，包括玻璃體等，都需從德國引進。所以，為提升我國核工業競爭力，推動核電裝備“走出去”，我國科學家仍需不懈努力。(DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.02.11)

(編輯 惠 瓊)