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世界性难题——核电的核废料处置

北极星电力网新闻中心  来源:《今天让科学做什么?》  作者:江晓原 黄庆桥 李月白  2018/7/12 15:39:21  我要投稿  
所属频道: 核电   关键词: 核废料 核燃料 核电

北极星核电网讯:一、核废料为什么比核燃料更危险?

核废料,主要指反应堆使用过后卸出的核燃料,因无法继续维持核反应,所以又叫核废料。核废料具有很高的放射性,且其放射性可以持续数十万乃至百万年之久,如何妥善处置核废料,是全世界至今未能解决的难题。

很多人已经听闻核废料很难处置,心中却存有疑问:“核燃料不就是从自然中来的吗?使用过后又放回到自然中,有什么不可以吗?”

事实上,核废料与原始核燃料的危害性完全不可同日而语。反应堆的核燃料是由铀矿石加工而成,在自然状态下,铀的放射性并不算高,短时间的接触几乎不会对人体造成放射性损伤,而使用过后核废料则具有高强度的放射性,几分钟的接触就可以导致死亡。

这是为什么?

天然的铀矿石具有放射性是因为铀原子能够自发地放射出粒子,经过漫长的时间转变成另一种元素,这一过程叫衰变,而全世界的商用反应堆都是通过核裂变发电的。核裂变则是在中子的高速撞击下,强行将一个重核分裂成两个较轻的原子核的过程。与天然的衰变相比,核裂变的反应更剧烈,释放出的能量更大、更多、更集中。

核裂变反应是链式反应,当用一个中子撞击铀原子核时,一个铀核将吸收中子而分裂成两个轻原子核,同时释放出2~3个新中子,这些新中子很可能打在2~3个新原子核上引起裂变,再释放出4~9个新中子,这些中子又会打在新的原子核上,从而使反应不断地进行下去。

从本质上讲,核电站的基本工作原理与原子弹是相同的,其主要区别有两点:一是原子弹要用富集度达到90%以上的铀235作为核材料,而核电站一般采用3%左右的铀235。二是原子弹的链式反应是不可控的,而核电站则可以通过控制棒等手段实现可控的链式裂变反应,使得每次产生的中子平均只有一个引起新的核裂变。

爱因斯坦的质能转换理论告诉我们,核裂变所释放的巨大能量来自原子核的质量亏损,原子核的质量发生了改变,意味着元素发生了改变。

事实上,核裂变的链式反应是非常复杂的,反应堆核燃料的主要成分是铀的氧化物,其中的铀由铀238和铀235两种同位素构成,而反应过后的核废料则变成具有一系列高放射性元素的复杂产物,其中包括:

(1)少量未用完的铀235以及大量铀238。

(2)质量数为66~172的100多种初级裂变产物。这些产物几乎都具有放射性,平均经过3~4次的放射性衰变才能转变成稳定的核素。

(3)新生成的裂变材料钚239。钚239在自然界中几乎是不存在的,它的半衰期达到2.4万年。经过处理的钚239也可以作为反应堆新的核燃料,同时也是制造核武器的重要原料。

(4)镎、镅、锔等次要锕系元素。这类元素原本并不存在于自然环境中,是铀238在核反应中连续俘获中子生成的,具有放射性强、毒性大、寿命长的特点,某些核素的半衰期甚至可以达到数十万年。

现在我们可以理解为什么核废料比核燃料更危险了。常见的铀元素经过核裂变的链式反应,不仅产生出上百种放射性物质,甚至还会变出自然界中不存在的高放射性元素。如果将核燃料比喻成被封印的恶魔,那核电站的裂变过程就相当于解开了恶魔的封印,出世后的恶魔逐渐露出嗜血的面目,人类想尽办法,只希望能将它再度关回笼中。

二、世界难题

核废料难以处置,主要是因为它具有3个特点:

第一是高放射性。核废料放出的射线对人体有致命伤害,任何运输和操作过程都具有危险性。

第二是复杂性。核废料中的物质成分非常复杂,有些国家会将核废料中的一些有用物质,如钚239回收利用,但操作起来难度很大,成本很高。

第三是放热性。核废料因为元素衰变而不断放出热能,这一点增加了管理难度。核废料被放置在液体中时,放出的热能容易导致液体沸腾,核废料被封存在固体中时,放出的热能容易导致保护壳熔化。

如今,全世界运行的核电站都在不停地产生核废料,截止到2014年6月,全球的核电机组已产生约35万吨的核废料。这些核废料无处容身,大部分都被暂时安放在核电站的临时冷却池中。

迫在眉睫的问题是,世界各国许多临时存放核废料的冷却池都已经达到饱和甚至“超饱和”的状态。就我国的情况来说,2015年8月的新闻显示:“目前大亚湾核电厂核废料水池已经饱和,田湾核电厂核废料水池接近饱和。”我们必须处置这些核废料,不论我们愿意不愿意。

核废料的处置被称为世界难题,实在是毫不夸张的,它的高放射性不能通过任何物理或化学手段来消除,就目前的科技水平来说,我们只能静待其放射性随着自然的衰变而减弱。也就是说,人类束手无策!

既然不能消除核废料的高放射性,难道还不能摆脱它吗?

关于如何摆脱核废料,使它无法危害到人类,曾经有过很多设想:

(1)沉入深海。人类总是将各种污水、废物排放到海洋中,起初人们也曾把核废料直接沉入到深海中,然而最终发现,即使广大如海洋,也不能把核废料的高放射性稀释到可以接受的程度:海洋中的生物物种和生命数量都远远多于陆地,破坏海洋生态的严重后果是我们无法想象的。同时,海洋也是人类食物的重要来源,所有遭受到核辐射的鱼类、贝类,最终都将通过食物链进入人类身体。

(2)送入太空。送入太空是摆脱核废料最快速、最彻底的手段,问题是将数十万吨核废料送入太空,花费太过巨大,而且,以我们目前的技术,远远无法保证百分之百发射成功。想象下,满载核废料的火箭一旦在发射中起火,或者在大气层中爆炸——人类相当于又经历了一次切尔诺贝利事故。

(3)投入火山。将危险的核废料一股脑丢进火山,听起来是个不错的主意。2010年2月,美国《大众科学》杂志曾讨论过将高放射性废物投入火山的可能性,美国火山地理学家指出,要想销毁核废料,火山需要满足严格的热度标准,而这一标准几乎无法实现。世界上最热的火山岩浆温度大约为1300摄氏度,这一温度甚至无法熔解掉包覆在燃料棒中的锆(锆的熔点为1850摄氏度),更不用说核废料本身。要想熔解掉核废料并改变其放射性,所需要的温度要比岩浆高几万倍。而且,由于火山里的液态岩浆会向上涌动,丢入火山的核废料很可能无法沉入深处。更可怕的是,被用作核废料储藏所的火山一旦爆发,就会喷出极具放射性的岩浆,整座火山的山坡都会变成核污染后的不毛之地,具有放射性的火山灰随后会绕地球循环多次。

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