核废料处置如何进行？

目前有 31 个国家使用某种形式的核电，其中 455 座正在运行的反应堆发电量约为 393,000 兆瓦——几乎占世界能源总产量的 20%。尽管发生了切尔诺贝利、三哩岛和福岛等备受瞩目的灾难，但核电实际上是最安全、最清洁的发电形式之一，就每千瓦时发电造成的死亡人数而言，核电排在最后——是的，甚至落后于核电太阳能和风能。与煤炭和石油不同，核能不排放温室气体，与太阳能不同，风能和水力发电不依赖于地理位置或当地天气条件。因此，能源专家预测，如果公众的耻辱能够消除，特别是采用更现代化设计的核反应堆。

但尽管核能有许多优点，但它也有一个明显的致命弱点：放射性废物。过去 40 年来，全球核工业产生了约 62,500 吨废物，每年还会增加 2,300 吨——其中大部分将在数千年内保持危险的放射性。与其他类型的工业废物不同，核废物不可能转化为危险性较小的形式，考虑到当前的政 治气候，其中大部分也无法进行再处理和回收。那么，我们该如何处理呢？

虽然商业核电已有近 70 年的历史，但令人惊讶的是，永久性核废料处置的概念却是最近才提出的。在核电发展的早期，工程师们认为反应堆将在更复杂的燃料循环下运行，乏燃料经过后处理以生产新的燃料元素并去除放射性同位素以用于医学、科学研究和核武器。

人们还对增殖反应堆进行了大量研究，该反应堆将非裂变同位素转化为裂变同位素，从而产生比消耗的燃料更多的燃料。结合起来，这两种技术将产生相对较少的高放射性废物。然而，这个计划是基于这样的信念：地球上的铀储量极其有限，当发现铀比最初想象的要丰富得多时，无需再处理的一次性燃料循环变得更加经济。

与此同时，西屋公司和通用电气等公司发现，扩大他们为美国海军潜艇设计的现有反应堆比从头开始开发民用反应堆更容易、更便宜。由于开发成本已经得到美国政府的补贴，这些反应堆可以以更具竞争力的价格出售。结果，后处理反应堆和增殖反应堆被抛在了一边，核废料很快开始堆积起来。由于开发成本已经得到美国政府的补贴，这些反应堆可以以更具竞争力的价格出售。结果，后处理反应堆和增殖反应堆被抛在了一边，核废料很快开始堆积起来。由于开发成本已经得到美国政府的补贴，这些反应堆可以以更具竞争力的价格出售。结果，后处理反应堆和增殖反应堆被抛在了一边，核废料很快开始堆积起来。

核废料可分为三个基本类别：低放、中放和高放。低水平和中水平废物被定义为在不到300年的时间内保持危险放射性的材料，主要由受污染的材料组成，例如用于核燃料加工的溶剂、工具、实验室玻璃器皿和衣物。由于这种废物的活性低且腐烂时间短，处理起来相对简单，通常保存在核电站或加工设施现场的屏蔽、受监控的储存容器中。一旦放射性衰减到安全水平，该材料就可以像任何其他工业废物一样进行处理。

高放废物主要由核反应堆的乏燃料组成，是一种完全不同的野兽，因为乏燃料中的许多放射性核素可以在数万年内保持危险的放射性。

由于这比人类文明（至少以目前的形式）预计生存的时间要长，任何可行的处置方案都必须高度确定地防止这些核素在没有任何人类监督或干扰的情况下泄漏到环境中。多年来，人们提出了许多处置方案，包括将废物倾倒在深海海沟中，将其放置在构造俯冲带中，以便将其吸入地幔中，或者将其发射到外太空。然而，所有这些提议都因某种原因被拒绝——例如，现代火箭的故障率虽然很低，但 其重要性足以表明，发射失败导致广泛的放射性污染是一种非常现实且不可接受的可能性。

此外，1972年《伦敦公约》和1992年《巴塞尔公约》明确禁止在海洋中处置放射性废物。因此，目前所有的废物处理方案都是基于深地质埋藏。目前这些项目中最先进的是芬兰的和瑞典的存储库，现在讨论的正是这些处置模型。目前所有废物处理方案均以深地质埋藏为基础。目前这些项目中最先进的是芬兰的和瑞典的存储库，现在讨论的正是这些处置模型。目前所有废物处理方案均以深地质埋藏为基础。目前这些项目中最先进的是芬兰的和瑞典的存储库，现在讨论的正是这些处置模型。

要了解深层地质处置的工作原理，首先必须了解乏核燃料中放射性核素的成分和行为。乏燃料含有四种基本类型的核素，第一种是燃料本身的残留物。典型的反应堆燃料经过浓缩后含有约 3% 的裂变同位素铀 235，其余部分由非裂变同位素铀 238 组成。随着燃料在反应堆中被消耗，U-235 含量将降至 0.8% 左右。这些是乏燃料中寿命最长的核素之一，U-235 的半衰期为 7.04 亿年，U-238 的半衰期为 45 亿年。

乏燃料中的下一个成分是裂变产物。这些是铀原子在核裂变过程中分裂时形成的轻元素，半衰期从氙 135 的 8 小时到碘 129 的 1500 万年不等。寿命最短的裂变产物具有强烈的放射性，并产生大量的衰变热——事实上，即使在反应堆关闭后，如果冷却系统出现故障，衰变热也会积聚并导致堆芯熔化向下。

因此，乏燃料元件从反应堆中取出后，立即放入主动冷却存储池中。池中的水带走衰变热，保护核电站操作员免受电离辐射的影响，使燃料能够储存长达六年，届时大多数短命裂变产物将衰变消失。尽管水池储存具有常规性质，但它实际上是燃料处理过程中最脆弱和最危险的步骤之一，因为水池冷却系统的故障可能会导致严重后果，就像 2011 年福岛第一核电站灾难期间发生的那样。当地震和随后的海啸切断了核电站的应急电源时，缺乏冷却导致储存池中的乏燃料过热，产生氢气并聚集并点燃，将建筑物的屋顶吹落。

乏燃料中发现的另一类放射性核素是锕系元素或超铀元素。这些是 U-238 吸收核反应中子时产生的重元素。它们的半衰期往往相对较长，从镅241的432年到钚242的379,000年不等。最后是活化产物，通过中子活化非放射性结构材料（例如燃料棒束上的锆包壳）产生。其中最常见且寿命最长的是 -36，半衰期为 300,000 年。

这里需要注意的是，仅半衰期并不能准确地说明给定同位素将保持危险放射性的时间有多长。许多核素不会立即衰变成稳定同位素，而是经历一个长衰变链，其中一种放射性同位素衰变为另一种放射性同位素，依此类推。例如，-237 的衰变链长 13 步，最终稳定同位素铊-205，中间子体核素的半衰期从 4 微秒到 160,000 年不等。其中许多子核素的放射性明显高于镎，再加上镎长达 200 万年的半衰期，意味着整个衰变系列将在 10,000 多年的时间内对环境造成危害。

目前，一旦核燃料从冷却池中取出，就会被放置在屏蔽干燥桶中，并在核电站现场进行受监控的储存。几乎每个主要核国家都是这样处理放射性废物的。然而，由于政 治和气候变化，可靠的监测无法持续 100 多年，瑞典、芬兰和韩国等国家已转向深层地质处置库来安全储存废物，无需人工干预。

如前所述，永久处置的最终目标是防止危险的放射性核素泄漏到环境中，直到所有最危险的同位素衰变为无害形式。在深层地质处置中，这是通过将废物深埋在整体地质构造中来实现的，通过这种构造，地下水迁移最少。例如，加拿大原子能有限公司多年来一直在研究将核废料掩埋在加拿大地盾中的可行性，加拿大地盾是一块由 25 亿年前的致密花岗岩构成的巨大地层。同样，已取消的内华达州尤卡山处置库以及目前位于瑞典福斯马克和芬兰翁卡洛的处置库都挖在深层、致密的火成岩基岩中。然而，仅仅深埋是不够的；还需要深埋。

令人惊讶的是，这些障碍中第一个也是最有效的就是燃料本身。核反应堆中使用的铀是氧化铀，这是一种坚硬的黑色陶瓷状材料，被压制成圆柱形小球。这些颗粒被堆叠并密封到锆包层管中，然后将它们粘合在一起形成燃料元件。氧化铀极难溶于水，并且将大部分放射性核素紧紧地捕获在其晶格内，这意味着即使将裸露的燃料芯块简单地倾倒在开放的含水层中，即使在一万年后，这些核素中也很少会真正逃逸到环境中。

然而，某些核素（例如氯 36 和铯 137）比其他核素更具流动性，如果

破裂，可能会从燃料芯块中泄漏。这些被统称为“速释组”，其中只有约 10% 的“速释部分”可能会泄漏。然而，这名义上是由下一个屏障——锆燃料包壳——来阻止的，由于其天然的耐腐蚀性，预计只有 40 万年后才会被破坏。通过将燃料束封装在由不锈钢、钛​或铜制成的储存桶中，可以提供进一步的保护，后者具有很强的耐腐蚀性，预计可持续使用长达一百万年。

在极不可能发生的情况下，储存桶和燃料包层都被破坏，这些桶被包装在一种称为膨润土的致密粘土状物质中，这种物质既能密封桶，防止水进入，又能充当离子缓冲器，捕获逃逸的放射性核素在它们到达地下水之前。然而，这种缓冲作用仅对带正电的原子（如铯、锶和其他重金属）有效；带负电的离子（如碘离子和氯离子）仍然有可能通过。但为了到达人类和其他动物使用的含水层，这些核素必须通过地下水穿过数百米的基岩，在核储存库建成的地区，地下水以每年约一厘米的缓慢速度移动。综合起来，这些不同的屏障和保障措施确保当任何放射性核素泄漏到环境中时，它们已经衰变成无害的同位素或被稀释到对环境几乎没有危险的程度。

事实上，这个系统中的冗余程度可能被认为是过度杀伤力，1972 年在加蓬奥克洛铀矿中的一项非凡发现证实了这一事实。大约 20 亿年前，当可裂变 U-235 的比例高于今天时，渗入地下的雨水在铀矿床中引发了核链式反应，有效地形成了一个天然核反应堆。这个过程持续了数千年，直到铀耗尽，留下了在非人造核燃料中发现的相同的裂变产物。然而，尽管奥克洛矿床位于多孔砂岩中，雨水和地下水不断渗透（换句话说，这是核废料储存库的最坏情况），但在接下来的 20 亿年里，这些裂变产物的迁移量不超过一米左右从他们的原始来源。因此，预计具有多层保护性金属、粘土和致密花岗岩的现代处置库应该能够轻松容纳核废料至少 10 万年。

有关奥克洛反应堆的更多信息，请观看我们的视频 因此，预计具有多层保护性金属、粘土和致密花岗岩的现代处置库应该能够轻松容纳核废料至少 10 万年。有关奥克洛反应堆的更多信息，请观看我们的视频 因此，预计具有多层保护性金属、粘土和致密花岗岩的现代处置库应该能够轻松容纳核废料至少 10 万年。有关奥克洛反应堆的更多信息，请观看我们的视频20亿年前的地球核反应堆。

但是，尽管科学家对深层地质宝藏的被动有效性充满信心，但还有另一个无法轻易解释的主要因素：未来的人类。由于核储存库预计将持续数十万年，因此有关其存在的所有知识和记录很可能会在数千年中丢失。如果人类文明能持续这么久，我们如何才能防止我们的远方子孙无意中发现我们的核废料并引发生态灾难呢？2010 年丹麦纪录片《走进永恒》深入探讨了这个问题，引起了相当大的争议，一些专家认为，一旦密封，储存库的所有痕迹和记录都应该被删除，以便人类最终忘记它们的存在和位置。然而，其他人则认为，这会增加意外发现储存库的风险，并且应该留下某种形式的警告（也许以雕刻石碑的形式），以阻止人们干扰该地点。还有一些人认为，这样的警告只会吸引未来的探险家。毕竟，警告诅咒的铭文并没有阻止人们进入和抢劫古埃及坟墓。

距离我们现在的时代更近了，许多拟议的核处置库项目已经成为另一种人类冲动的牺牲品：邻避主义，许多公民强烈反对在他们的社区附近储存或运输核废料。20 世纪 70 年代末，加拿大原子能有限公司开始了一系列研究，评估在加拿大地盾安大略部分储存核废料的可行性，并钻探实验钻孔以监测地下水迁移。当地人认为该地区已经储存了核废料，立即对地下水进行了检测，结果惊恐地发现地下水具有放射性。由此引发的公众强烈抗议最终迫使 AECL 放弃该项目。然而，在研究人员到来之前，有人愿意测试一下水质吗？他们会发现它一直具有轻微的放射性，加拿大地盾的花岗岩天然富含铀和其他放射性同位素。类似的政 治力量也导致尤卡山处置库项目在 2011 年被取消，此前该项目已在该地点进行了三十多年的研究。

目前，芬兰、瑞典、韩国和德国只有四个深层地质处置库正在使用或在建，世界上绝大多数核废料仍然存放在地面干桶储存中。其他几个存储库正处于讨论和规划的不同阶段，但鉴于福岛灾难后全球对核电的兴趣急剧下降，其中任何一个是否能够完成仍有待观察。

近年来，人们对嬗变概念重新产生了兴趣，即通过用核反应堆或粒子加速器中的中子轰击核废料，将其转化为危险性较低的形式。

不幸的是，这个过程在今天的技术下还不可行，因为大规模转化废物需要大量能源，因此不经济。然而，有可能进行有限的嬗变，将镎等寿命最长的核素从乏燃料中分离出来，并转化为更轻、寿命更短的同位素，从而大大减少燃料保持危险放射性的总时间。虽然很有希望，但分离出这些核素的过程本身成本高昂，并且正在进行研究以开发选择性地转变燃料本身内的长寿命核素的方法。无论最终的解决方案是什么，很明显，处理放射性废物的长期解决方案将是实现期待已久的核复兴的关键。由此，诸如镎等寿命最长的核素从乏燃料中分离出来，并转化为更轻、寿命更短的同位素，从而大大减少燃料保持危险放射性的总时间。虽然很有希望，但分离出这些核素的过程本身成本高昂，并且正在进行研究以开发选择性地转变燃料本身内的长寿命核素的方法。

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