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乏燃料后处理方法
最简单粗暴的方法当然是找个与世隔绝的地方将乏燃料刨坑埋了,这种核燃料的利用方式称为“一次通过”方式,但要保证数百万年的地质稳定和辐射安全,实在是难上加难。因此有必要对乏燃料进行处理,分离其中有用的物质并加以利用,同时实现放射性废物最小化,这种核燃料利用方式被称为“闭式燃料循环”,而乏燃料后处理技术是实现闭式燃料循环的重要保障。
根据后处理过程是否适用水相介质,后处理方法分为干法和水法。当前的主流工业后处理厂采取的是水法。
水法的典型代表是美国上世纪发明的PUREX流程,利用萃取剂将铀、钚选择性分离回收。PUREX的主要优点是废液少、费用低,安全性高。下图为PUREX的简易流程图。
PUREX流程示意图
干法则针对难溶于水的核废料,采用熔盐或者液态金属作为介质,在高温条件通过电解、氧化还原等方法分离出放射性元素。干法适宜处理高燃耗、短冷却期的反应堆乏燃料,特别适合钍基熔盐堆。因为它的燃料主要由多种金属(钍和铀)的氟化物熔盐组成,难溶于水。
除了以上两种主流方法外,科学家们还开发出快中子反应堆焚烧法或者利用ADS(加速器驱动次临界洁净核能系统)发射高能中子嬗变来直接消化掉乏燃料中的高放射性元素。下面将重点介绍新型钍基熔盐堆与其乏燃料后处理的特点。
烧钍的反应堆
自然界中,有两种能够作为裂变核燃料的天然元素,一个是大名鼎鼎的铀,另外一个对于大家可能稍微有点陌生,它的名字叫做钍。
中国最大的钍矿区——白云鄂博矿区
钍的“知名度”虽然比铀低,但是自然界中钍的储量却是要比铀的多得多,目前地壳中钍的探明储量约为铀的3至4倍。
与天然铀中含有0.7%易裂变同位素U-235和可裂变同位素U-238不同,自然界中的钍只有Th-232一种可裂变同位素,其本身不能作为核燃料,但是Th-232通过吸收中子生成的U-233却是性能非常好的易裂变核素。下图所示为钍铀转换链和铀钚转换链的核素演化示意。
钍铀转换链和铀钚转换链
通常,我们以Th-232到U-233的转换链为基础的核燃料循环称为“钍铀循环”,而以U-238到Pu-239的转换链为基础的核燃料循环称为“铀钚循环”。
从核废料的角度看,钍铀循环要比铀钚循环产生的锕系核素更少,乏燃料的毒性更小,是一种更加清洁的燃料循环方式。
在吸收中子的过程中,Th-232要吸收9个中子才可能转换成具有高放射性毒性的次锕系核素中质量数最小的核素Am-241,而U-238则只需要吸收3个中子就可能转换成Am-241,因此,钍铀循环积累的高毒性次锕系核素要比铀钚循环的低得多。
下图给出了一次通过的压水堆、铀钚循环和钍铀循环产生的锕系核废料的放射性毒性随时间的演化规律。从图中可以明显地看到,钍铀循环中产生的锕系核素的放射性毒性远小于PWR(压水堆),并且比铀钚循环也要小一个数量级。
压水堆、铀钚循环以及钍铀循环乏燃料锕系核废料放射性毒性随时间演化图
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