核废料也有“春天”

我们常说，核燃料是高效环保的新能源，殊不知，这一新能源也有“硬伤”。尽管核燃料确实比其他能源释放出更多能量，但这不过是它全部能量的极小部分;虽然反应过程不释放温室气体，但反应产物也具有极大的危险性和污染性。解决这些问题，成了核能利用迫在眉睫的要求。

　　核废料何“废”之有

　　核燃料释放能量的实质是核裂变反应：中子轰击铀-235，使原子核分裂成两个质量较小的新原子核，在这一过程中，释放出巨大的能量。但是，与化石能源不同，铀并不是从地底挖出来就能直接进行反应的，必须先用化学手段提纯。提纯过程会产生大量的化学废料，此外，铀矿石中还包含一些铀含量极低的岩渣，它们不能被用作核反应燃料，也变成了核废料的一部分。

核燃料进行裂变反应时，铀也无法反应完全。现在常见的核裂变反应堆，为了提升核燃料的反应效率，需要将裂变产生的高速中子(快中子)减速成为速度较慢的中子(热中子)。热中子能尽可能多地与核燃料发生碰撞，维持反应进程。但是，随着反应的进行，铀燃料越来越少，热中子也越来越少，而反应产物越来越多，逐渐将核燃料与热中子分隔开来，反应也就无法继续下去了。我们把铀元素裂变后的产物和未反应完的残留物称为乏燃料，它们也是“核废料”的一部分。另外，核电站的使用并非永久性的，其寿命一般在30年左右。到期退役的核电站需要进行拆除，但是，主泵、安全壳和冷却池等设施设备因为长期与放射性物质接触，也具有一定的放射性，需要当作核废料处理。

　　综合来看，核反应堆使用后留下来的“废物”并不少。

　　核废料处理之难

　　核废料对生物和环境的危害有多大，无须赘述。但更让人为难的是，这些废料的影响不是一朝一夕，而是几百上万年，对人类的伤害是世世代代的。因此，如何处理这些核废料，也成了老大难问题。

等待被掩埋的核废料金属罐

　　为了处理核废料，科学家们提出过许多方法，包括送入太空、海床掩埋和冰冻处理等。这些方法各自有不同的难点和问题，因此，现在最常用的还是固化处理后埋入深层地层。玻璃固化是目前安全处理核废料最有效的固化手段，先将核废料和玻璃一起高温熔融，然后快速降温将核废料封存到玻璃中。再将这一整块“玻璃”封装到可屏蔽辐射的金属罐中，最后深埋到更深的地层中(至少500米深)。

　　这一方法虽然能最大限度地阻止放射性元素泄漏，但是太过占用地下空间，现在全世界的核废料已达到几十万吨，以后还会继续增加，到时候哪里还有这么多的土地掩埋核废料呢?再利用核废料才是根本解决之法。

　　前文已经说过，核废料是由多种不同类别的成分组成的。那些在提纯过程中产生的核废料，由于精炼成本过大，不适合再利用，而核反应堆组件也没有再利用的价值，因此只能继续固化掩埋。但是，核废料的大头——乏燃料却还有很大的用处。乏燃料中的96%是剩余的未反应的铀，其中大部分是铀-238;大约1%是钚-239和钚-240，这些钚是铀俘获中子后产生的;剩余物质为核反应的产物镎、镅、锔等超铀元素和裂变元素锶-90、铯-137、锝-99等。这些物质各有各的用处，但是想再利用它们，首先要一一分离提纯。传统的分离方法是化学法，溶剂溶解与萃取、离子交换或吸附、挥发法、电解法等，提取不同元素需要用不同的方法，反应废料多且提纯精度低。

　　2018年建成的广东省清远市的等离子体危险废物处理项目也许能成为分离乏燃料的新方法。等离子体处理法是目前处理固体废物最先进的方法，系统中心能产生温度高达20000℃～30000℃的等离子体火炬，火炬边缘温度也可达到3000℃左右。当高温高压的等离子体去冲击被处理的对象时，被处理物的分子、原子将会重新组合而生成新的物质，从而使有害物质变为无害物质，甚至能变为可再利用的资源。这些重组后的物质会被分为气体、玻璃体和金属三类，然后从各自的排放通道分离开来。如果为核废料设计一套独有的处理方法及装置，该项目就也能处理核废物了。

　　核废料焕发新生

　　从乏燃料中提取到的大部分物质是未反应的铀和钚，它们不像其他元素那样可以作为化工原料，只能重回老路再次成为核燃料。那上述过程岂不是又要重复一次?幸好最近，科学家们也为它们量身打造了一套新的反应堆，让它们也能发挥“余热”了。

　　这套新反应堆名为快中子反应堆，顾名思义，它不像传统的核反应堆那样给裂变产生的快中子减速，而是直接使用快中子参与反应。此外，它的核燃料也不再是铀-235，而是钚-239和铀-238，也就是乏燃料的主要组成物质。

　　快中子反应堆的反应中心有点特别：在堆心燃料钚-239的外围再生区里围绕着一圈铀-238，两者交替成为核燃料。钚-239发生裂变反应会释放出许多个快中子，这些快中子撞击到外围的铀-238，铀-238吸收了这些中子就会很快变成钚-239。新生成的钚-239继续裂变，开启下一次循环。

　　每个钚-239核裂变所产生的快中子，可以使12至16个铀-238变成钚-239。也就是说，一次裂变反应下来，燃料钚-239不仅产生了大量能量，它的数量还不减反增了，这样裂变反应就会持续进行，直到外围的铀-238彻底消耗完，这一反应才会完全停止。

　　显然，与常见的热中子反应堆相比，快中子反应堆能进行更彻底的裂变反应。据计算，如快中子反应堆推广应用，将使铀资源的利用率提高50～60倍，且能充分利用乏燃料中提取的大量钚-239和铀-238，也减少了核废料污染环境的问题。

　　现在，快中子反应堆已成为了核能系统的主力堆型，包括中国在内的许多国家都在积极研究开发快中子反应堆。中国在这一方面的研究走在世界前列，2011年，中国在北京建成的实验快堆是世界上为数不多的快中子反应堆之一，目前仍在稳定运行中。

　　核能虽好，问题不少，想利用好核能，人类还有许多路要走。