核廢料該如何處理，奧特曼發話了…_風聞

中科院物理所-中科院物理所官方账号-2021-04-18 11:50

2021-04-18

4月13日，日本政府官方決定以海洋排放方式處理福島核電站的核污水，這受到了本土漁業、周邊國家的抗議以及多國的譴責。

NHK報道截圖

眾所周知，大海是連在一起的，隨着核污水的擴散，全球生態都可能會受到影響。

奧特曼聽了都生氣 | 來源：迪迦奧特曼

之前的文章《核輻射，你想知道的這裏差不多都有》也科普過核輻射為什麼這麼厲害，以及我們該怎麼正確看待核輻射。

作為與民眾關係密切的核電站，自然受到了更廣泛的關注。小編也查了不少資料來了解核廢料到底該如何正確處理，今天就給大家展開講講。

核電站與傳統的火力發電站相比，具有着十分顯著的優勢，例如沒有廢氣排放、不加重温室效應、非必需品原料、能量密度大（大概是化石燃料的幾百萬倍）等。但是如果不正確處理核廢料，帶有高強度放射性的物質釋放到外界環境中，會對生態及民眾造成傷害。

大亞灣核電站 | 來源：百度

不過我們也不用談核色變，合理地利用核能、正確地處理核電站產生的核廢料，核能是一種很優秀的能源。

核電站的工作原理

從目前派上用場的核電站來看，其原理簡單説來就是燒水，只不過是用核能燒水。

來源：新華網

核電站是利用核裂變將核能轉變為大量的熱能，再由水把熱能帶出，產生高壓蒸汽，從而驅動渦輪機，然後通過發電機葉片旋轉利用電磁感應定律轉化成電能。

核裂變示意圖 | 來源：btime

處於風口浪尖的福島核電站是沸水堆(boiling water reactor, BWR)核電站，屬於輕水反應堆的一種。

核反應堆分類 | 來源：wiki

沸水反應堆是第二常見的核能發電反應堆型式，以去離子水作為冷卻劑和慢化劑。冷卻水從反應堆堆芯下部流入，在沿堆芯上升的過程中，從燃料棒獲取熱量，冷卻劑變成了蒸汽和水的混合物，經過汽水分離器和蒸汽乾燥器，將分離出的蒸汽來推動汽輪發電機組發電。

沸水堆工作示意圖 | 來源：wiki

沸水堆只有一個迴路，其最大優點是結構和運行都比較簡單，尺寸小、造價低廉，但由於沸水堆的循環系統直接連接了堆芯和渦輪機，因此可能造成渦輪機受到放射性污染，給設計和維修帶來麻煩。

正常核廢料與事故核廢水的區別

福島核電站事故核廢水與核電站在正常運行下排放出去的冷卻水根本不是同一種水。

國際上通常採用國際核事件分級表（INES）對核電站事件進行分級。

國際核與輻射事件分級表 | 來源：sohu

由於地震和海嘯引起的福島核電站事故，被定為7級特大事故。7級特大事故意味着大型核裝置（如動力堆堆芯）的大部分放射性物質會向外釋放，典型的包括長壽命和短壽命的放射性裂變產物的混合物。這種釋放可能有急性健康影響，在大範圍地區有慢性健康影響、有長期的環境後果。

福島核事故初期為緩解後果，向其4台機組的反應堆、安全殼和乏燃料水池內注入了大量海水和淡水，雖然對燃料進行了有效冷卻，但由於其與損毀堆芯直接接觸，產生了有大量放射性廢液，這些廢液雖然已經被處理過了，但還是比普通冷卻水有更高的放射性，這便是最近日本決定排放的核污水。而核電站排放的普通冷卻水幾乎沒有放射性（下文會介紹）。

核電站產生的廢料種類

核廢料也就是含有放射性核素的廢棄物，可以根據其物態分為固態、氣態和液態，也可以根據其輻射量的大小分為低、中、高級別，輻射量的大小則可以通過核素的比活度來衡量。

比活度(specific activity)是放射源的放射性活度與其質量之比，即單位質量產品中所含某種核素的放射性活度。

活度(Activity)是處於某一特定能態的放射性核素在單位時間內的衰變數，目前放射性活度的國際單位為貝克勒(Bq)，1Bq也就是每秒發生一次衰變。一克的鐳放射性活度有3.7×10¹⁰Bq即1Ci，這也是常用單位居里(Ci)的定義。

來源：sohu

高級別的核廢料主要來源於從反應堆芯中換下來的燃料，即乏燃料，它們由於鈾含量降低，已經無法維持核反應，但仍然具有很強的放射性。

補充説明：乏燃料含有大量未用完的可增殖材料鈾-238或釷-232，未燒完的和新生成的易裂變材料鈈-239、鈾-235或鈾-233以及核燃料在輻照過程中產生的鎿、鎇、鋦等超鈾元素，另外還有裂變元素鍶-90、銫-137、鍀-99等。

來源：999gou

低級別的核廢料主要是在核電站運行期間除堆芯以外的其他廢物，比如正常產生的廢水，工作人員的衣物，廢棄零組件等。

核廢料也可以根據半衰期(Half-life)來分類，半衰期是指放射性元素的原子核有半數發生衰變時所需要的時間，可以用於衡量放射性物質的壽命。下表中列舉了乏燃料中常見核素的半衰期。

來自筆者

核廢料的處理

核廢料與日常生活中的廢料相比起來更加危險，核廢料放出的射線會對生物體造成輻射損傷，產生不可逆的傷害。而且，核廢料的放射性不能用任何物理，化學和生物等人工方式消除，只能靠其自身衰變減少。由上表可見，一些高級別的核廢料的半衰期很長，對人類的威脅甚至可以持續幾萬年甚至數億年。

因此，處理核廢料有兩個基本的原則：

減少遷移擴散

保證長期穩定

對於中低級別的核廢料來説，它們佔到了所有核廢料中的99%，且它們的半衰期一般為幾十年，危害相對較低。以我國的廣東北龍中低放處置場為例，首先要建造好可以隔絕輻射的混凝土結構。

來源：baidu

然後將核廢料壓縮或者固化之後放入特定的金屬桶或者混凝土容器

反應堆頂蓋廢物包裝來源：baidu

可屏蔽輻射的金屬核廢料桶來源：baidu

再將密封好的容器移入建設好的混凝土結構中，有時候根據情況需要，還會將容器放入一個個的處置單元內，然後在容器之間填充混凝土或者沙石，進一步隔絕輻射，降低泄露風險。

吊入處置單元來源：baidu

最後，需要在處置單元的上面澆灌混凝土，並且設置可移動的防雨帳房，防止由於雨水滲入導致的有害物質泄露。

搭建帳房來源：baidu

對於高級別的廢料，它們一般來源於反應堆中的乏燃料，與中低級別的廢料不同，我們不能挖個更深的坑將其填埋了事，從乏燃料的產生到最終填埋，中間還需要經過複雜的流程，歷經數年的時間，但大致可以分為以下三個步驟：

冷卻過程

乏燃料的比活度很高，還會釋放大量的衰變熱。若直接裝入容器，會造成容器的熔燬產生泄露，如果乏燃料聚集在一起超過臨界體積，會發生鏈式反應產生爆炸，後果不堪設想。

因此，必須將其儲存一段時間待放射性和餘熱降到一定程度後再進行操作及處理。按儲存方式乏燃料儲存又有濕式儲存（水池儲存）和乾式儲存之分。

利用水或者空氣將乏燃料產生的熱量慢慢帶走，冷卻的過程一般不低於3-5年，乏燃料經冷卻降低放射性可以緩解乏燃料後處理工藝上的技術難度。

不鏽鋼混凝土結構的乏燃料儲存水池

來源：百度百科

後處理

乏燃料後處理的目的是分離出各種有用的核素進行循環利用，並且去除長壽命和不穩定的核素，以便只對含相對短壽命核素的放射性核廢料進行填埋處理。

目前最常用的方法是一種溶劑萃取法，也叫普雷克斯法。這個技術在20世紀70年代起就在若干個國家使用了，目前已經是公認的比較安全的技術。

將乏燃料經過酸溶解之後，通過調節酸的濃度，鈾的濃度等在多級逆流萃取設備中分離出鈾，鈈和其他裂變產物，從而將有用的核素再循環利用。

普雷克斯流程來源：百度百科

經過後處理，放射性元素的回收比例可以高達98.5%~99%，不僅可以減少核廢物污染的可能性，也可以提高自然資源的利用率。

%表示鈾中鈾-235含量百分數

但是，核廢物後處理並不能將所有核素都提取出來，還會有許多殘留在核廢物中，此外，後處理過程本身也會產生大量的低等級核廢物。

經過以上的步驟，剩下的頑固分子我們暫時還拿它們沒有辦法，只能封裝好深深地埋入地底。封存過程中還涉及到一些工藝，用於進一步保障核廢物不向周圍環境遷移，如核廢物玻璃化。

來源：zhihu

這種方法簡單來説就是將放射物蒸乾水分之後，將其不斷被放入一個充滿碎玻璃的加熱熔爐中，玻璃作為一種非晶物質，對不同元素有着廣泛的包容性，而且具有良好的耐久性，核廢料中的大部分元素都可進入玻璃結構中，以原子尺度固化。這種經過加工處理後的玻璃核廢料混合物有超強的防水性。

最終處理

經過層層工序之後，為了確保它們長期與人類和環境隔絕，把這些廢料存放在穩定地質構造中人工建造的地下儲存所是一種可行的方案，這便是乏燃料的最終處置方式，同時也叫深地質處置。

芬蘭在建的核廢料永久處理庫來源：baidu

這種處理方法的基本概念是尋找到一個廣大的、地質結構穩定的領域，通過挖掘技術挖掘到地下300米以上的地方來儲存高放射性廢棄物。目的是將其與人類環境永久隔離。但是這對當地的地質要求非常嚴格，要求物理環境特別穩定，長久地不受水和空氣的侵蝕，並能經受住地震、火山、爆炸的衝擊。科學家們實驗證明，在花崗岩層、岩鹽層以及粘土層可以有效地保證核廢料容器數百年內不遭破壞。但數百年後，這些存放地點會不會發生破壞是無法預料的。