核废料该如何处理？奥特曼发话了

本文来自微信公众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：小林绿子、啵啵蛏，头图来自：《迪迦奥特曼》

4月13日，日本政府官方决定以海洋排放方式处理福岛核电站的核污水，这受到了本土渔业、周边国家的抗议以及多国的谴责。

NHK报道截图

众所周知，大海是连在一起的，随着核污水的扩散，全球生态都可能会受到影响。

奥特曼听了都生气 | 来源：迪迦奥特曼

之前的文章《核辐射，你想知道的这里差不多都有》也科普过核辐射为什么这么厉害，以及我们该怎么正确看待核辐射。

作为与民众关系密切的核电站，自然受到了更广泛的关注。小编也查了不少资料来了解核废料到底该如何正确处理，今天就给大家展开讲讲。

核电站与传统的火力发电站相比，具有着十分显著的优势，例如没有废气排放、不加重温室效应、非必需品原料、能量密度大（大概是化石燃料的几百万倍）等。但是如果不正确处理核废料，带有高强度放射性的物质释放到外界环境中，会对生态及民众造成伤害。

不过我们也不用谈核色变，合理地利用核能、正确地处理核电站产生的核废料，核能是一种很优秀的能源。

核电站的工作原理

从目前派上用场的核电站来看，其原理简单说来就是烧水，只不过是用核能烧水。

来源：新华网

核电站是利用核裂变将核能转变为大量的热能，再由水把热能带出，产生高压蒸汽，从而驱动涡轮机，然后通过发电机叶片旋转利用电磁感应定律转化成电能。

核裂变示意图 | 来源：btime

处于风口浪尖的福岛核电站是沸水堆（boiling water reactor, BWR）核电站，属于轻水反应堆的一种。

核反应堆分类 | 来源：wiki

沸水反应堆是第二常见的核能发电反应堆型式，以去离子水作为冷却剂和慢化剂。冷却水从反应堆堆芯下部流入，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒获取热量，冷却剂变成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，用分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电。

沸水堆工作示意图 | 来源：wiki

沸水堆只有一个回路，其最大优点是结构和运行都比较简单，尺寸小、造价低廉，但由于沸水堆的循环系统直接连接了堆芯和涡轮机，因此可能造成涡轮机受到放射性污染，给设计和维修带来麻烦。 

正常核废料与事故核废水的区别

福岛核电站事故核废水与核电站在正常运行下排放出去的冷却水根本不是同一种水。

国际上通常采用国际核事件分级表（INES）对核电站事件进行分级。

国际核与辐射事件分级表 | 来源：sohu

由于地震和海啸引起的福岛核电站事故，被定为7级特大事故。7级特大事故意味着大型核装置（如动力堆堆芯）的大部分放射性物质会向外释放，典型的包括长寿命和短寿命的放射性裂变产物的混合物。这种释放可能有急性健康影响，在大范围地区有慢性健康影响、有长期的环境后果。

福岛核事故初期为缓解后果，向其4台机组的反应堆、安全壳和乏燃料水池内注入了大量海水和淡水，虽然对燃料进行了有效冷却，但由于其与损毁堆芯直接接触，产生了有大量放射性废液，这些废液虽然已经被处理过了，但还是比普通冷却水有更高的放射性，这便是最近日本决定排放的核污水。而核电站排放的普通冷却水几乎没有放射性（下文会介绍）。

核电站产生的废料种类

核废料也就是含有放射性核素的废弃物，可以根据其物态分为固态、气态和液态，也可以根据其辐射量的大小分为低、中、高级别，辐射量的大小则可以通过核素的比活度来衡量。

比活度（specific activity）是放射源的放射性活度与其质量之比，即单位质量产品中所含某种核素的放射性活度。

活度（Activity）是处于某一特定能态的放射性核素在单位时间内的衰变数，目前放射性活度的国际单位为贝克勒（Bq），1Bq也就是每秒发生一次衰变。一克的镭放射性活度有3.7×10¹⁰Bq即1Ci，这也是常用单位居里（Ci）的定义。

高级别的核废料主要来源于从反应堆芯中换下来的燃料，即乏燃料，它们由于铀含量降低，已经无法维持核反应，但仍然具有很强的放射性。

*补充说明：乏燃料含有大量未用完的可增殖材料铀-238或钍-232，未烧完的和新生成的易裂变材料钚-239、铀-235或铀-233以及核燃料在辐照过程中产生的镎、镅、锔等超铀元素，另外还有裂变元素锶-90、铯-137、锝-99等。

低级别的核废料主要是在核电站运行期间除堆芯以外的其他废物，比如正常产生的废水，工作人员的衣物，废弃零组件等。

核废料也可以根据半衰期（Half-life）来分类，半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需要的时间，可以用于衡量放射性物质的寿命。下表中列举了乏燃料中常见核素的半衰期。

来自笔者

核废料的处理

核废料与日常生活中的废料相比起来更加危险，核废料放出的射线会对生物体造成辐射损伤，产生不可逆的伤害。而且，核废料的放射性不能用任何物理，化学和生物等人工方式消除，只能靠其自身衰变减少。由上表可见，一些高级别的核废料的半衰期很长，对人类的威胁甚至可以持续几万年甚至数亿年。

因此，处理核废料有两个基本的原则：

1. 减少迁移扩散

2. 保证长期稳定

对于中低级别的核废料来说，它们占到了所有核废料中的99%，且它们的半衰期一般为几十年，危害相对较低。以我国的广东北龙中低放处置场为例，首先要建造好可以隔绝辐射的混凝土结构；然后将核废料压缩或者固化之后放入特定的金属桶或者混凝土容器。

再将密封好的容器移入建设好的混凝土结构中，有时候根据情况需要，还会将容器放入一个个的处置单元内，然后在容器之间填充混凝土或者沙石，进一步隔绝辐射，降低泄露风险。最后，需要在处置单元的上面浇灌混凝土，并且设置可移动的防雨帐房，防止由于雨水渗入导致的有害物质泄露。

对于高级别的废料，它们一般来源于反应堆中的乏燃料，与中低级别的废料不同，我们不能挖个更深的坑将其填埋了事，从乏燃料的产生到最终填埋，中间还需要经过复杂的流程，历经数年的时间，但大致可以分为以下三个步骤：

冷却过程

乏燃料的比活度很高，还会释放大量的衰变热。若直接装入容器，会造成容器的熔毁产生泄露，如果乏燃料聚集在一起超过临界体积，会发生链式反应产生爆炸，后果不堪设想。

因此，必须将其储存一段时间待放射性和余热降到一定程度后再进行操作及处理。按储存方式乏燃料储存又有湿式储存（水池储存）和干式储存之分。

利用水或者空气将乏燃料产生的热量慢慢带走，冷却的过程一般不低于3~5年，乏燃料经冷却降低放射性可以缓解乏燃料后处理工艺上的技术难度。

后处理

乏燃料后处理的目的是分离出各种有用的核素进行循环利用，并且去除长寿命和不稳定的核素，以便只对含相对短寿命核素的放射性核废料进行填埋处理。

目前最常用的方法是一种溶剂萃取法，也叫普雷克斯法。这个技术在20世纪70年代起就在若干个国家使用了，目前已经是公认的比较安全的技术。

将乏燃料经过酸溶解之后，通过调节酸的浓度，铀的浓度等在多级逆流萃取设备中分离出铀、钚和其他裂变产物，从而将有用的核素再循环利用。

普雷克斯流程 来源：百度百科

经过后处理，放射性元素的回收比例可以高达98.5%~99%，不仅可以减少核废物污染的可能性，也可以提高自然资源的利用率。

%表示铀中铀-235含量百分数

但是，核废物后处理并不能将所有核素都提取出来，还会有许多残留在核废物中，此外，后处理过程本身也会产生大量的低等级核废物。

经过以上的步骤，剩下的顽固分子我们暂时还拿它们没有办法，只能封装好深深地埋入地底。封存过程中还涉及到一些工艺，用于进一步保障核废物不向周围环境迁移，如核废物玻璃化。

来源：zhihu

这种方法简单来说就是将放射物蒸干水分之后，将其不断被放入一个充满碎玻璃的加热熔炉中，玻璃作为一种非晶物质，对不同元素有着广泛的包容性，而且具有良好的耐久性，核废料中的大部分元素都可进入玻璃结构中，以原子尺度固化。这种经过加工处理后的玻璃核废料混合物有超强的防水性。

最终处理

经过层层工序之后，为了确保它们长期与人类和环境隔绝，把这些废料存放在稳定地质构造中人工建造的地下储存所是一种可行的方案，这便是乏燃料的最终处置方式，同时也叫深地质处置。

这种处理方法的基本概念是寻找到一个广大的、地质结构稳定的领域，通过挖掘技术挖掘到地下300米以上的地方来储存高放射性废弃物。目的是将其与人类环境永久隔离。但是这对当地的地质要求非常严格，要求物理环境特别稳定，长久地不受水和空气的侵蚀，并能经受住地震、火山、爆炸的冲击。科学家们实验证明，在花岗岩层、岩盐层以及粘土层可以有效地保证核废料容器数百年内不遭破坏。但数百年后，这些存放地点会不会发生破坏是无法预料的。

中国核废料处置库“北山一号” 来源：葛南实业

 小编说了这么多，奥特曼也有话说：

来源：迪迦奥特曼

参考资料：

[1] 国际核事件分级表 百度

[2] 核电站 百度

[3] 沸水反应堆 维基百科

[4] 放射性活度  中国辐射防护学会

[5] 乏燃料 百度百科词条

[6] Radioactive waste Wikipedia, the free encyclopedia

[7] Nuclear reprocessing Wikipedia, the free encyclopedia

[8] 北龙处置场 百度百科词条

[9] 放射性废物处理与处置 李全伟

[10] 核燃料再处理 百度百科

[11] 普雷克斯流程 百度百科

[12] 世界难题——核废料如何处理？ 知乎

本文来自微信公众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：小林绿子、啵啵蛏