核电的未来很诱人，核废料的问题很棘手

（来源：麻省理工科技评论）

核电站贡献了全球 10% 的发电量，但每年会产生约 1 万吨的乏燃料（spent fuel，核反应堆中经辐照、燃耗达标后卸出的用过的核燃料）废料。

目前全世界处理核废料的方式，既有创意又五花八门：泡在水池里、封进钢罐中、埋到地下几百米深处。但随着新型核反应堆设计的出现，核废料管理可能面临新的变数。

目前运行中的核电站反应堆大多遵循相似的基本蓝图：使用低浓缩铀作为燃料，用水冷却，体积庞大，建在集中式电站里。但一大批新型反应堆设计可能在未来几年投入运行，届时可能需要对现有系统做出调整，以确保它们能处理新产生的废料。

“这一大批新型反应堆和燃料类型是否会让废料管理变得更容易，没有统一的答案，”忧思科学家联盟（Union of Concerned Scientists）核电安全主任埃德温·莱曼（Edwin Lyman）说。

核废料处置手册

核废料大致可以分为两类：低放射性废料，比如医院和研究中心受污染的防护设备；以及高放射性废料，后者需要更谨慎的处理。

按体积计算，绝大部分是低放射性废料。这类废料可以就地存放，一旦放射性衰减到足够低的水平，基本可以当作普通垃圾处理（需要一些额外的预防措施）。高放射性废料则放射性强得多，温度也往往很高。这一类废料的主体是乏燃料，是多种材料的混合物，包括铀-235——核燃料中的可裂变部分，核电站维持链式反应就靠它。乏燃料中还含有裂变产物，也就是原子裂变释放能量时产生的副产物，其中一些具有放射性。

许多专家认为，乏燃料和其他高放射性核废料的最佳长期解决方案是地质处置库——简单来说，就是一个非常深、管理非常严格的地下空间。芬兰在这方面走得最远，其位于该国西南海岸的处置场预计今年投入运行。

美国在 1980 年代指定了一个地质处置库选址，但政治争议导致进展停滞。所以目前在美国，乏燃料存放在运行中和已关闭的核电站厂区内。乏燃料从反应堆中取出后，通常先进入湿式储存，也就是浸入水池中冷却。之后可以转入由水泥和钢材制成的保护性容器中，称为干式储罐，这一阶段叫干式储存。

专家表示，面对新型反应堆设计，行业不需要把这套流程推倒重来。“我们管理乏燃料的方式基本上不会有大的变化，”核创新联盟（Nuclear Innovation Alliance）研究与战略经理埃里克·科思伦（Erik Cothron）说。核创新联盟是一家专注于核工业的非营利智库。“我不会因为担心乏燃料管理的问题而睡不着觉。”

但新的设计和材料可能需要一些工程上的解决方案。而且反应堆设计种类繁多，相应地，需要处理的废料类型也同样多样。

非常规废料

有些新型核反应堆和现有的运行堆型很相似，它们的乏燃料管理方式也会大同小异。但也有一些采用了新型材料作为冷却剂和燃料。

“非常规的材料会产生非常规的废料，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校核工程、等离子体与辐射工程助理教授赛义德·巴豪丁·阿拉姆（Syed Bahauddin Alam）说。

一些先进设计可能会增加需要按高放射性废料处理的材料体积。以使用 TRISO（三结构各向同性）燃料的反应堆为例。TRISO 燃料的核心是一颗铀芯，外面包裹了好几层保护材料，再嵌入石墨壳中。包裹 TRISO 的石墨很可能会和乏燃料归为一体处理，这会让废料体积比现有燃料大得多。

根据核创新联盟 2024 年的一份报告，以目前的技术水平，把这些层分离开来既困难又昂贵，这意味着整个燃料组件会被一起归类为高放射性废料。

X-energy 公司正在设计使用TRISO 燃料的高温气冷反应堆。该公司已经向美国核管理委员会（NRC）提交了乏燃料处理方案。据该公司介绍，TRISO 燃料的形态实际上有助于废料管理：其保护性外壳使 X-energy 不需要湿式储存，从第一天起就可以直接进入干式储存。

液态燃料熔盐堆是另一种新型设计，同样可能增加废料体积。在这种设计中，燃料和冷却剂不像大多数反应堆那样分开存放，而是将燃料直接溶解在用作冷却剂的熔盐中。这意味着整缸熔盐都需要按高放射性废料来处理。

另一方面，还有一些反应堆设计可能产生更少体积的乏燃料，但体积小并不等于问题小。以快堆为例，快堆的燃耗率更高，能消耗更多的可裂变材料，从燃料中提取更多能量。这意味着快堆的乏燃料中裂变产物浓度通常更高，释放的热量也更多。而热量可能是设计废料处置方案时最关键的制约因素。

乏燃料需要保持相对低温，否则可能熔化并释放有害副产物。处置库中热量过高还可能损坏周围的岩层。"热量才是真正决定你能往处置库里放多少东西的关键因素，"前美国能源部和核管理委员会官员保罗·迪克曼（Paul Dickman）说。

英属哥伦比亚大学公共政策与全球事务学院院长、核管理委员会前主席艾莉森·麦克法兰（Allison MacFarlane）表示，有些乏燃料在处置之前可能需要经过化学处理，这会增加复杂性和成本。例如，在使用金属钠冷却的快堆中，冷却剂可能渗入燃料并和燃料包壳融合在一起。把它们分离开来很棘手，而且钠遇水会剧烈反应，所以这些乏燃料需要专门处理。

TerraPower 的 Natrium 反应堆是一座钠冷快堆，今年 3 月初获得了核管理委员会的建造许可。TerraPower 商务发展高级副总裁杰弗里·米勒（Jeffrey Miller）表示，该反应堆的设计能够安全应对这一挑战。公司的方案是在乏燃料放入湿式储存池之前，先用氮气吹扫材料表面，去除残留的钠。

选址，选址，还是选址

即使不考虑材料问题，仅仅是改变反应堆的大小和选址，也可能给废料管理带来新的麻烦。

一些新型反应堆本质上是现有大型反应堆的缩小版。这些小型模块化反应堆和微型反应堆产生的废料，处理方式可能和当前的常规反应堆差不多。但对于像美国这样废料就地存放的国家来说，让大量分散的小型站点各自管理自己的废料并不现实。

一些公司正在考虑把微型反应堆连同其产生的废料一起送回某个集中地点，这个地点有可能就是反应堆的制造厂。麦克法兰认为，企业应当被要求在设计阶段就认真考虑废料问题、制定管理方案，并为自己产生的废料承担责任。

她还指出，到目前为止，废料方面的规划都依赖于研究和模型推演，真实情况只有等反应堆实际运行之后才能明朗。用她的话说：“这些反应堆还不存在，所以我们对它们将产生什么样的废料，其实还了解得很有限。”

https://www.technologyreview.com/2026/03/18/1134345/advanced-nuclear-reactors-waste/