核废料处理：路在何方

陈钊 2014-01-12

                  中国科学技术大学 核科学技术学院 博士生                  

德国卡尔斯鲁厄理工学院 核能技术研究所 联合培养博士生

E-mail: zchen214@mail.ustc.edu.cn

2009年，瑞典奥萨马尔在投票中胜出，将于2020年建成世界上第一座永久性核废料存储库

2011年11月，德国反核组织成员的抗议阻拦载有核废料的列车

提到核废料，几乎所有人都会避之不及，然而瑞典的两座小镇却为建造一座永久性核废料储存库而进行了长达7年的竞争。2009年在瑞典首都斯德哥尔摩举行的投票中，奥萨马尔镇胜出。按照规划，这座永久性核废料储存库将于2020年建成，届时将是世界上第一座永久性核废料存储库。

同样在欧洲，德国人对核废料的态度却截然不同。2011年11月，一辆载有核废料的列车从法国拉阿格核废料处理厂运往德国核废料暂存地戈莱本的途中，遭到了反核组织成员的抗议阻拦，以致于德国警方不得不出动警力全程护行，并临时拘捕了1300多人。

在美国，核废料处理的难题同样困扰着联邦政府。在内华达州的尤卡山上，有一座由美国联邦政府花费了22年时间建造的永久性核废料存储库，曾被认为是美国核废料的最佳储存地。而奥巴马政府上台后，却反对该计划，并于2010年3月撤销尤卡山存储库的许可申请，尤卡山计划正式终止。现在，美国国内5万吨核废料的去处，依然是个问号。

从上面几个事件中，足以看出核废料处理问题的复杂与困难。面对成千上万的吨的核废料，即使是世界上最发达的国家，也没能给出一个圆满的解决方案。中国已然进入了核能快速发展的时期，在不久的将来，核废料处理的问题也将浮现。核废料处理，路在何方?

什么是核废料？

核废料，是指带有放射性的废料，它不仅产生于核电站中，也产生于核燃料生产加工、医院、同位素生产等领域。和其他工业废料相比，核废料最大的特点就在于带有放射性，其危害来源也正是放射性。根据放射性强度的不同，核废料可分为高放废料和中低放废料。高放废料主要来源于核电站燃烧后的核燃料，一般称为乏燃料。这些乏燃料由于在核电站堆芯中发生了裂变反应，具有很强的放射性。中低放废料则包括所有没有被列为高放废料的核废料，它主要来源于核电站使用过的工作服、手套、废弃退役的仪器设备，核燃料生产加工产生的废料和医院废弃的放射医疗设备等。

表1 核废料成分

*数据来源：世界核协会（WorldNuclear Association）

核废料中大部分属于中低放废料，约占97%，在这97%的体积中，却只含有约5%的放射性，可以看出这些核废料放射性强度不高，危害较低。对于中低放废料的处理，国际上通行的做法是将其装入特质的容器，运到具有专门辐射防护工程屏障的处理厂，进行地下掩埋或焚烧。一段时间后，这些核废料中的放射性物质就会衰变成对人体无害的物质。这种处理方法经过几十年的发展，已经非常成熟，安全性也很有保障。目前我国已经建成两个中低放废料处理场，其中北龙中低放处置场位于广东省大亚湾附近，另外一个则建在甘肃省。

中低放废料处理厂 

高放废料总量很少，只占核废料总量的约3%。有人曾做过比较，如果美国所有的电力都由核电站提供的话，人均产生的核废料只有39.5克，而如果美国所有的电力都由燃煤电厂提供的话，其人均产生的二氧化碳就有10吨，还不包括其他有污染的气体和粉尘颗粒。但是，在这极少量的高放废料中，却包含有约95%的放射性，而且半衰期长达几十万年。因此，如何处理这些高放废料，正是让各国政府和科学家伤透脑筋的事情。

令人头疼的高放废料

高放废料的危害之大在于其中含有多种对人体危害极大的高放射性元素，包括铀，钚，次锕系元素和裂变产物。

表二核燃料成分表

*数据来源：世界核协会（WorldNuclear Association） 

上表列出了典型核电站乏燃料的成分。其中大部分是铀，这些铀是还没有燃烧完的核燃料，可以通过后处理工艺提取出来，再重新放到核电站中使用。目前，这项技术在法国已经实现了工业化，我国也开展相关研究。

其中的钚是由于铀原子吸收中子但没有发生裂变反应而产生的，这种元素同样可以通过处理工艺提取出来，做为核燃料使用。钚同时还是制造核武器的重要原料，当年投到日本长崎的“胖子原子弹”就采用了钚做内核材料。在理想假设中，只要有4千克钚原料（甚至更少），搭配复杂的装配设计，就可以制造出一个原子弹。所以，防止这些含有钚元素的高放废料被恐怖分子拿到，也是国际上防止核扩散的重要内容。

其中的次锕系元素，名字我们都很陌生，在日常生活中也不会见到，它们也是由核燃料中的铀原子吸收中子后没有发生裂变反应而产生的新元素。这些元素具有非常强的放射性性，而且它们的半衰期长达几万年到几十万年不等，也就是说存放了几十万年之后才能衰减掉一半。

剩下的就是裂变产物，包括锶-90，铯-137和碘-131等，这些名词可能很多人在日本福岛核事故的新闻报道中经常见到。这些元素都具有较强的放射性性，直接接触或吸入体内，会对人体器官造成伤害。不过，这些元素需要达到一定的量后，才会对人体造成伤害。日本福岛核事故发生后，科学家正式通过检测这些元素来判断周围环境是否受到污染的。

目前，世界上约有十几万吨高放废料，每年以约8000吨的速度增长。世界上高放废料存量最多的是美国，约5万吨，欧洲和亚洲分别是3.5万吨左右。我国目前高放废料存量还比较少，约1500吨，每年大约增加200吨。但是，随着我国核能的快速发展，这个速度是在逐年增加的。

解决方案

国际原子能机构对于核废料的处理和处置要求很严，尤其是高放核废料。安全和永久地处理核废料是两个必需的条件。高放废料的处理一般要经过两个阶段，分别是暂存阶段和长期处理阶段。从核电站中取出的乏燃料，放射性非常强，温度也非常高，无法立即进行处理。目前通行的做法是，在核电站里建造一座乏燃料水池，将刚刚取出的乏燃料通过机械设备运输到乏燃料水池中进行冷却。水是一种很好的冷却剂，同时又是一种很好的辐射屏蔽材料，将乏燃料放入水池中可以很安全。大约经过5年时间的水中存储，这些乏燃料的热量和放射性都降低到了可以操作的水平。这时候，就需要将这些乏燃料通过特质容器进行分装，进入长期处理的阶段。

核电站里的乏燃料水池 

核电站卸出的乏燃料组件 

封装后核废料

对于乏燃料的处理，目前有两种不同的技术路线，它们分别是“直接处置（Direct disposal）”和“再处理（Reprocessing）”。“直接处置”法是指将从核电站乏燃料水池中取出的核废料，直接进行封装固化，进行然后深地填埋。这种方法操作简单，而且可以防止核扩散。美国政府一直采取这种“直接处置”的措施来处理核废料。“再处理”法是指将乏燃料进行后处理，把其中可以回收利用的元素如铀、钚等提取出来，进行再利用，剩下的次錒系元素和裂变产物，再固化封装，进行最终处理。“再处理”法可以回收可利用的资源，提高核燃料的利用率。目前，法国、俄罗斯、日本等核能大国，都采用“再处理”法进行处理本国的核废料。不过，“再处理”方法也存在比较高的核扩散风险，这也正是美国政府一直不采用此方法的主要原因。

无论是采用“直接处置”还是“再处理”，都需要一个高放废料的最终处理方案。为了寻找安全处理高放废料的方法，人类从上个世纪50年代起就开始了相关研究。有人曾提出用火箭把高放废料送到太空中，或者把高放废物放置在南极或北极的冰盖上，由高放废料本身产生热量融化冰层，使废料桶最后沉到冰层底部等，但这些方法不是费用太高，就是在技术上无法实现，最重要的是它们都无法确保绝对安全，而这恰恰是高放废料处理的基本要求。经过多年的试验与研究，目前世界上公认的最安全可行的方法就是深地填埋的处置方法，即将高放废料保存在地下深处的特殊仓库中永久保存。

讲到这里，我们可以回到文章开头讲到事件了。无论是美国的尤卡山计划，还是瑞典的永久性核废料存储库，都是用来储存这些高放废料的永久性仓库。寻找这样一个安全、永久存放核废料的地点，并不是一件容易的事。这个地点要求地理环境特别稳定，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。

中国的雄伟计划

对于核废料的处理，中国政府和科学家从来没有怠慢。中国从1986年开始研究探索核废物地质处置。

2003年，全国人民代表大会通过了《放射性污染防治法》，为核废料的处理奠定了法律基础，并明确规定高放废物需要集中处置。

2006年，科技部等部门共同制定了《高放废物地质处置研究开发规划指南》，制定了一个三阶段的策略：到2020年选择处置库的场址，建成地下实验室；从2020年到2040年依托地下实验室，开展现场实验；2040年开始建造处置库，到2050年建成处置库。届时可以接收核废物，开始正式运行。

2010年，中国核工业集团和法国阿海珐集团签署协议，计划在中国西北地区建设一座年处理规模达到800吨的乏燃料后处理基地，工程造价预计达到2000亿人民币。

2011年，中国科学院启动了“创新2020”战略性先导科技专项“先进核裂变能—ADS嬗变系统”，计划投入数十亿人民币开展核废料嬗变处理的研究。核废料嬗变处理是指将原本准备进行深地填埋的高放核废料，放到一种先进的核能系统（ADS：加速器驱动次临界系统）中，采用高能中子轰击高放核素，进行嬗变处理。这种嬗变处理可以将高放废物的半衰期从几十万年减少至几百年。也就说原本需要存放几十万年的高放废料，经过嬗变处理后，只需存放几百年就可以了。如果能够按计划实施，届时中国将是世界上第一个建成此类装置的国家，核废料处理技术也将处于世界领先行列。（陈钊）

注：本文为《百科知识》杂志约稿文章