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中国每年产生3200吨核废料,辐射可持续万年,最后是怎么处理的?

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中国每年产生3200吨核废料,辐射可持续万年,最后是怎么处理的?



本文陈述内容皆有可靠信源,已赘述该篇文章结尾

核电站被视为人类下一个时代的最关键的能源之一,毕竟核电厂在运行阶段的排放量非常的低,完全可以算是一种“绿色”的能源。而且核电站可以几乎全时段提供基本负荷的发电,当太阳能和风能以及水电等可再生能源无法运行时,就可以依靠核电站调峰补充运行。

但是我们也知道,核能这种东西并不是没有任何危害的,即便是不考虑类似于福岛危机这样的安全性问题,它自身也存在一个重要的弊端,那就是会产生“核废料”,根据国际原子能组织之前预估的数据,目前全球每年会产生待处理的高危“核废料”大约一万吨左右,而我国每年需要处理的大概在三千吨左右,那么这些核废料最后是怎么处理的呢?

1

废料的产生与国际上的处理方式分支



更换燃料棒

虽然我们总喜欢使用燃烧来做比喻,但是事实上来讲真正在原子炉中的反应,严格来说并不能算是“燃烧”,而是一种更加复杂的“核反应”,其中重元素被击中后分裂成两个较轻的元素,同时释放出能量、更多的中子和辐射。在这个这个过程会产生大量的热能,用于加热水并产生蒸汽,最终驱动涡轮发电。



那为什么会产生废料呢?其实道理很简单,那就是这个反应的过程并不“完全”,它通常不会将所有的可裂变材料转化为能量。在一个典型的轻水反应堆中,大约只有3%-4%的燃料会在燃料循环中被消耗。剩余的铀-238和新产生的元素构成了“乏燃料”,这些物质具有更强的放射性,且其半衰期可以从几年到数万年不等。



临时储存的废料

而国际上主流的处理方式,目前有两种主要的策略,一种是通过简单的处理然后埋到地下深层次中,这是一种比较保守的方法。在这种方法中,需要预先对需要处置的废料进行处理,以降低放射性水平和温度。冷却好后它们会被封装在耐腐蚀的容器中,然后转移到干式储存设施或直接运往预定的地质处置场所。



大型储存罐

处置过程首先将单个废物管收集到一个更大的组件中。然后这些组件组被放入具有 5 厘米厚铜外部的铸铁罐中——以保护内部免受腐蚀——并深入设施的地下部分。在那里储存,罐被移动到一个隧道区域,在那里它们被垂直放置在基岩中单独钻孔的空腔中,并被膨润土包围。



大型处理厂

这种专门挑选出来的粘土有一个奇特的特性,那就是在暴露于水时会膨胀,从而进一步将其密封到位。一旦每条隧道下方的区域达到容量,它们就会用膨润土回填并用混凝土密封。将废物与生物圈隔离开来,确保数十万年乃至数百万年的时间内不会对人类和环境造成危害。目前来说,深层地质处置被认为是处理高放废物的最安全和最持久的方法。



芬兰ONKALO储存库

深层地质处置设施通常位于地下数百米至数千米的稳定岩石层中。比如说芬兰的ONKALO项目就是一个实现日期最近的例子。该项目目的是建设一个深层地质处置库,用于长期隔离“高放废物”,预计在2025年开始运营。你可能会好奇为什么2025年才能运行,我却说是最接近投入使用的?因为人类目前来说,还没有真正的建成一座深层地质处理设施。



ONKALO项目示意图

这时你可能就好奇了没有这样的设备,之前的废料是怎么存放的呢?事实上由于长期的地质处置设施建设需要巨额投资和漫长的准备时间,加之技术和社会接受度的挑战,一些国家正在探索建立综合临时储存设施作为中间方案。这些设施目的是“临时性”的提供一些安全的场地来集中管理和存储乏核燃料,直至最终的地质处置解决方案得以实施。



至今未能投入使用的“尤卡山处置库”

这些过渡使用的“综合临时储存设施”通常被设计为可以运行几十年,它们将具备先进的安全技术来储存废物桶,并选址在风险较低的地区,例如内陆远离海岸的位置和地质稳定的区域,以减少潜在的风险。美国是世界上拥有最多乏核燃料库存的国家之一,截至2019年,美国的库存量已达约86,000吨,目前这些燃料大多存放在核电站的现场。



为了处理这些囤积的废料,美国正在推进两个“临时储存项目”。但是也有学者认为,各国在决定是否接受建立综合临时储存设施时可能会持谨慎态度,担心若无法实现最终的地质处置场,所谓的“临时”储存实际上可能变成长期储存的局面。

2

“再生利用”的处理方式



另一种方式则是被称之为“后处理技术”,这种思路的逻辑是将“乏燃料”本身视为一种没有开发利用完成的“资源”。原理就是从乏燃料中提取出未完全燃烧的铀和钚,以及其他可再利用的同位素。这些物质可以被转化为新燃料或其他形式的副产物,从而在核燃料循环中得到再利用。此外“后处理”还可以减少最终处置的体积和放射性。

这一方面的代表则是法国的技术路线,毕竟作为核能大国法国对于这方面有着充足的实践经验,这种技术如果说的更加的直白一点,也称为“核燃料再循环”,应该说这是一种先进的核燃料管理策略。这个方案的核心在于通过化学处理技术回收和再利用核燃料中的有用材料,并将剩余的放射性废物转换为更易于长期存储的形态。



简单描述一下这个技术其实“并不复杂”,等待处理的燃料首先在专门的设施中经过冷却,然后送入后处理工厂。在这里使用化学分离工艺,来提取出其中的元素。提取出的铀可以被转化为新的浓缩铀,而提取出的钚则可以与天然或贫化的铀混合,制造出新的混合氧化物燃料,随后可以被送回核反应堆中继续使用。

当然这只是理想条件下的处理模型,实际上后处理过程还会产生新的重元素废物。这些元素的半衰期相对较长,对环境构成较大的威胁。为了安全管理这些物质,采用先进的固化技术,如玻璃化或陶瓷化,将这些放射性核素嵌入到稳定的基质中,形成固化块状废物。从而减少了废物的体积,而且由于其化学和物理稳定性,降低了放射性物质泄漏到环境中的风险。



这样的方案通过最大化燃料的利用效率,减少了最终处置所需处理的废物量,并且将危害降低到了很低的水平。不得不说这种模式对于实现可持续的核能发展具有重要意义,并且为全球乏燃料处理提供了一个重要的参考范例。但是该方案的实施需要高度发达的技术,严格的安全措施以及相应的经济投入,因此在不同国家的推广可能会受到各种实际条件的限制。

3

“两条腿走路”的中国



“北山一号”选址

事实上对于核能的利用和中国在很多其他领域当中一样,都是后发国家,但是目前的增长量已经达到了一个可观的水平,但与此同时水涨船高的处理压力也随之而来。而应对这个复杂的问题,中国并没有选择任何一条单一路线,而是借鉴了国际的先进经验进行了“双管齐下”。



比如对于第一种方法的“大型深层地质库”的相关实验早就在开展,而且有着清晰的步骤和基础,前期工作基本已经完成。就在2021年甘肃省的实验室开始建设,这个实验室的目的是为了研究和验证位于戈壁沙漠下方560米处花岗岩基岩中,进行乏核燃料地质处置的可行性。该项目是我国核燃料循环后端管理战略的一部分,用于确保核废物的安全处置。



在该实验室中,参与的科学家们将进行一系列的试验和评估,包括对基岩的稳定性,屏障材料的性能,水文地质条件,以及长期的环境影响等进行综合研究。这些研究结果将帮助确定该地点是否适合建设长期的地质处置设施。如果研究结果表明该地点适宜,那么中国可能会在2040年代开始建造一个完整的乏核燃料地质处置综合体。



而另一方面,我国也没有将这个方案当做最终的解决步骤。对于后处理技术也在积极的推进,事实上在这个工作方面我国目前走的是非常的深。已经为了有关的项目投入了大量的资金和技术支持。通过推动各种处理技术的不断发展,有效的提高乏燃料的利用效率,把利用率从百分之一提高到百分之九十以上,真正意义上的“变废为宝”。



而且对于这个方面,我国还积极的同国际上有相关领域研究的大国共同合作,希望能够开发出一种有效而且妥善的解决方式,毕竟这种重要的国际问题,甚至关乎于未来人类社会的发展,毕竟传统的化石能源不管是储量还是利用率都是远远的无法和核能相媲美的,只要克服了核能使用上的问题,就能更好的造福人类。

参考资料:

【1】光明网 - 2020.01.20《从1%到95%,“吃干榨净”核废料》

【2】新华社 - 2023.04.21《中美德合作在核废料处理领域取得新进展》

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