北京時間 11 月 5 日消息，據(jù)國外媒體報道，我們可以利用核裂變來發(fā)電，但同時也會產(chǎn)生核廢料。這些核廢料可以安全地儲存，直到最終衰變，然后安全處理。
▲ 托卡馬克是一個通過磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器，也是為核聚變發(fā)電站設(shè)計的實驗裝置
盡管有人曾預(yù)言，世界最終將因核戰(zhàn)爭而毀滅，但在現(xiàn)實生活中，核能正發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，和其他工業(yè)一樣，核電站也會產(chǎn)生廢料，即放射性廢料。我們應(yīng)當(dāng)妥善地處理放射性廢料，以避免有害輻射泄漏到環(huán)境中。
什么是核電站？
▲ 核電站發(fā)電流程示意圖
全世界大約 10% 的電力來自核電站。這些核電站的核心便是核反應(yīng)堆，可以進行并控制一系列核裂變事件。核裂變是一個將大質(zhì)量原子核分裂成較小原子核并釋放能量的過程。原子核不斷分裂成更小“碎片”的過程 —— 稱為裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng) —— 會產(chǎn)生大量的熱，可以將水煮沸產(chǎn)生水蒸氣，進而推動渦輪葉片產(chǎn)生電力。除了核裂變，還有另一種能釋放巨大能量的核反應(yīng) —— 核聚變，即小質(zhì)量的兩個原子核聚合形成一個較大的原子核，在這一過程中釋放能量。目前，科學(xué)家們正在努力研究如何控制核聚變，但仍有相當(dāng)長的路要走。
什么是核廢料？
任何利用放射性物質(zhì)的活動都會產(chǎn)生放射性廢料，因此，核電站產(chǎn)生廢料并不奇怪。不過，相比燃煤電廠產(chǎn)生的廢料，核電站產(chǎn)生的廢料體量要小得多。核廢料可按物理狀態(tài)分為固體、液體和氣體三種；按照放射性水平，核廢料又可分為低水平（低放）、中水平（中放）和高水平（高放）三類。通常而言，核廢料指的是高放廢料，即反應(yīng)堆中使用后的核燃料，又稱乏燃料；中、低放廢料則來源于核電站使用過的廢棄退役的儀器設(shè)備，以及核燃料生產(chǎn)加工中產(chǎn)生的廢料等。
▲ 核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)會產(chǎn)生多種產(chǎn)物
在核電站中，核燃料每 12 到 18 個月更換一次，以保持反應(yīng)堆的高效性能。這些乏燃料具有很高的放射性，溫度也很高。乏燃料產(chǎn)生的高放廢料只占放射性廢料總量的 3%，卻具有放射性總量的 95%。相反，低放廢料占地球上放射性廢料的 90%，但只含有放射性總量的 1%。核電站中使用的工作服和工具甚至也被認(rèn)為是低放廢料。
核燃料中未裂變的原子，以及核裂變的產(chǎn)物，如新生成較小的原子核，構(gòu)成了大部分的放射性核廢料。核裂變產(chǎn)物通常包含元素周期表中的元素，如氪和銫，以及鐵、鋅等元素的同位素。用過的反應(yīng)堆燃料是固體形式的，看起來幾乎與新燃料相同，都是包裹在金屬管中的固體顆粒。盡管表面上看起來差不多，但二者的乏燃料含量卻不盡相同。
核廢料去了哪里？
放射性廢料不能像其他廢料一樣傾倒在垃圾填埋場。儲存核廢料是一項危險的工作，需要非常周密的計劃。這些廢料具有很高的放射性，可能對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，因此成為許多人關(guān)注和擔(dān)憂的問題。與其他會產(chǎn)生長期危險的工業(yè)廢料（比如鎘和汞等重金屬）不同，核廢料的毒性會隨著時間的推移而降低。只有約 3% 的核廢料是長壽命且高放射性的，因此需要數(shù)千年的隔絕處理。
▲ 低放射性水平核廢料的處理
大多數(shù)中低放廢料會被壓縮并固化裝桶，然后送到淺地層的處置庫安全貯存。還有一些中低放射性的廢料、廢液會通過工廠的多道工序進行處理，使其達(dá)到規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，然后排放掉或循環(huán)重復(fù)利用。
這種處理造成的輻射只影響現(xiàn)有自然本底輻射的一小部分。核電站和再處理工廠也會向大氣中釋放少量的惰性氣體氪-85、氙-133 和微量碘-131。在任何生命周期的分析中，它們的影響都極其微小。
相比之下，處理乏燃料（高放廢料）可能就非常棘手了。當(dāng)乏燃料從反應(yīng)堆中取出時，其溫度和放射性都很高。因此，乏燃料需要被保存在水下 5 到 8 年，直到輻射減弱到可以在沒有水的情況下冷卻。通過這一過程，對廢料的回收和處理就更加容易。
冷卻后，這些廢料要么被回收，要么被轉(zhuǎn)移到一個干燥的桶中，桶的外部是混凝土或裝有惰性氣體的多用途罐。這些桶在設(shè)計上都可以長期使用，并且足夠安全，甚至你都可以走近觸摸。法國、日本、英國等國家采取后處理方式來回收乏燃料，高放廢料中的裂變產(chǎn)物如銫-137、鍶-90 等，也可用回收用于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用，包括血液輻照、食品保鮮和污水處理等。不過，這種方式的缺點是難度大、費用較高，同時因可生產(chǎn)出高純度的钚，有核擴散風(fēng)險。
通過回收乏燃料來重新利用這些有價值的同位素，使得放射性廢料更像是一種資源而不是負(fù)擔(dān)。另一種處理核廢料的方式是直接處置，以加拿大、德國、芬蘭、瑞典為代表的國家主要采用這種方式。在這種方案中，廢棄核燃料會先在反應(yīng)堆冷卻池中冷卻一段時間，然后轉(zhuǎn)移到臨時存儲廠，在至少存放 50 年后，經(jīng)過固化、封裝等處理過程，最后進行地質(zhì)深埋。一旦封裝好的廢料桶被固定住，一層層的巖石和黏土就會將它們密封在適當(dāng)?shù)奈恢谩＿@種處理方式可以固定放射性元素并將它們與大氣隔絕。
有什么辦法可以防止核電站產(chǎn)生廢料？
▲ 乏燃料池
如前所述，核能有兩種來源 —— 核裂變和核聚變。目前世界上所有的核電站都使用核裂變發(fā)電。核裂變會產(chǎn)生不穩(wěn)定的原子核，這些原子核在數(shù)千年里都保持著放射性。相比之下，核聚變不會產(chǎn)生任何放射性廢料，而是會產(chǎn)生氦 —— 一種對生命無害的惰性氣體。如果能實現(xiàn)核聚變發(fā)電，就將大大減少放射性廢料的形成。
然而，利用核聚變發(fā)電的技術(shù)仍處于初級階段。核聚變反應(yīng)堆的原型預(yù)計將在 2040 年投入使用?；蛟S到本世紀(jì)的下半葉，核聚變發(fā)電才會迎來最激動人心的突破。
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