世界性難題——核電的核廢料處置
一、核廢料為什么比核燃料更危險?
核廢料,主要指反應(yīng)堆使用過后卸出的核燃料,因無法繼續(xù)維持核反應(yīng),所以又叫核廢料。核廢料具有很高的放射性,且其放射性可以持續(xù)數(shù)十萬乃至百萬年之久,如何妥善處置核廢料,是全世界至今未能解決的難題。
很多人已經(jīng)聽聞核廢料很難處置,心中卻存有疑問:“核燃料不就是從自然中來的嗎?使用過后又放回到自然中,有什么不可以嗎?”
事實上,核廢料與原始核燃料的危害性完全不可同日而語。反應(yīng)堆的核燃料是由鈾礦石加工而成,在自然狀態(tài)下,鈾的放射性并不算高,短時間的接觸幾乎不會對人體造成放射性損傷,而使用過后核廢料則具有高強度的放射性,幾分鐘的接觸就可以導(dǎo)致死亡。
這是為什么?
天然的鈾礦石具有放射性是因為鈾原子能夠自發(fā)地放射出粒子,經(jīng)過漫長的時間轉(zhuǎn)變成另一種元素,這一過程叫衰變,而全世界的商用反應(yīng)堆都是通過核裂變發(fā)電的。核裂變則是在中子的高速撞擊下,強行將一個重核分裂成兩個較輕的原子核的過程。與天然的衰變相比,核裂變的反應(yīng)更劇烈,釋放出的能量更大、更多、更集中。
核裂變反應(yīng)是鏈?zhǔn)椒磻?yīng),當(dāng)用一個中子撞擊鈾原子核時,一個鈾核將吸收中子而分裂成兩個輕原子核,同時釋放出2~3個新中子,這些新中子很可能打在2~3個新原子核上引起裂變,再釋放出4~9個新中子,這些中子又會打在新的原子核上,從而使反應(yīng)不斷地進行下去。
從本質(zhì)上講,核電站的基本工作原理與原子彈是相同的,其主要區(qū)別有兩點:一是原子彈要用富集度達到90%以上的鈾235作為核材料,而核電站一般采用3%左右的鈾235。二是原子彈的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是不可控的,而核電站則可以通過控制棒等手段實現(xiàn)可控的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng),使得每次產(chǎn)生的中子平均只有一個引起新的核裂變。
愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換理論告訴我們,核裂變所釋放的巨大能量來自原子核的質(zhì)量虧損,原子核的質(zhì)量發(fā)生了改變,意味著元素發(fā)生了改變。
事實上,核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是非常復(fù)雜的,反應(yīng)堆核燃料的主要成分是鈾的氧化物,其中的鈾由鈾238和鈾235兩種同位素構(gòu)成,而反應(yīng)過后的核廢料則變成具有一系列高放射性元素的復(fù)雜產(chǎn)物,其中包括:
(1)少量未用完的鈾235以及大量鈾238。
(2)質(zhì)量數(shù)為66~172的100多種初級裂變產(chǎn)物。這些產(chǎn)物幾乎都具有放射性,平均經(jīng)過3~4次的放射性衰變才能轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的核素。
(3)新生成的裂變材料钚239。钚239在自然界中幾乎是不存在的,它的半衰期達到2.4萬年。經(jīng)過處理的钚239也可以作為反應(yīng)堆新的核燃料,同時也是制造核武器的重要原料。
(4)镎、镅、鋦等次要錒系元素。這類元素原本并不存在于自然環(huán)境中,是鈾238在核反應(yīng)中連續(xù)俘獲中子生成的,具有放射性強、毒性大、壽命長的特點,某些核素的半衰期甚至可以達到數(shù)十萬年。
現(xiàn)在我們可以理解為什么核廢料比核燃料更危險了。常見的鈾元素經(jīng)過核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),不僅產(chǎn)生出上百種放射性物質(zhì),甚至還會變出自然界中不存在的高放射性元素。如果將核燃料比喻成被封印的惡魔,那核電站的裂變過程就相當(dāng)于解開了惡魔的封印,出世后的惡魔逐漸露出嗜血的面目,人類想盡辦法,只希望能將它再度關(guān)回籠中。
二、世界難題
核廢料難以處置,主要是因為它具有3個特點:
第一是高放射性。核廢料放出的射線對人體有致命傷害,任何運輸和操作過程都具有危險性。
第二是復(fù)雜性。核廢料中的物質(zhì)成分非常復(fù)雜,有些國家會將核廢料中的一些有用物質(zhì),如钚239回收利用,但操作起來難度很大,成本很高。
第三是放熱性。核廢料因為元素衰變而不斷放出熱能,這一點增加了管理難度。核廢料被放置在液體中時,放出的熱能容易導(dǎo)致液體沸騰,核廢料被封存在固體中時,放出的熱能容易導(dǎo)致保護殼熔化。
如今,全世界運行的核電站都在不停地產(chǎn)生核廢料,截止到2014年6月,全球的核電機組已產(chǎn)生約35萬噸的核廢料。這些核廢料無處容身,大部分都被暫時安放在核電站的臨時冷卻池中。
迫在眉睫的問題是,世界各國許多臨時存放核廢料的冷卻池都已經(jīng)達到飽和甚至“超飽和”的狀態(tài)。就我國的情況來說,2015年8月的新聞顯示:“目前大亞灣核電廠核廢料水池已經(jīng)飽和,田灣核電廠核廢料水池接近飽和。”我們必須處置這些核廢料,不論我們愿意不愿意。
核廢料的處置被稱為世界難題,實在是毫不夸張的,它的高放射性不能通過任何物理或化學(xué)手段來消除,就目前的科技水平來說,我們只能靜待其放射性隨著自然的衰變而減弱。也就是說,人類束手無策!
既然不能消除核廢料的高放射性,難道還不能擺脫它嗎?
關(guān)于如何擺脫核廢料,使它無法危害到人類,曾經(jīng)有過很多設(shè)想:
(1)沉入深海。人類總是將各種污水、廢物排放到海洋中,起初人們也曾把核廢料直接沉入到深海中,然而最終發(fā)現(xiàn),即使廣大如海洋,也不能把核廢料的高放射性稀釋到可以接受的程度:海洋中的生物物種和生命數(shù)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于陸地,破壞海洋生態(tài)的嚴(yán)重后果是我們無法想象的。同時,海洋也是人類食物的重要來源,所有遭受到核輻射的魚類、貝類,最終都將通過食物鏈進入人類身體。
(2)送入太空。送入太空是擺脫核廢料最快速、最徹底的手段,問題是將數(shù)十萬噸核廢料送入太空,花費太過巨大,而且,以我們目前的技術(shù),遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法保證百分之百發(fā)射成功。想象下,滿載核廢料的火箭一旦在發(fā)射中起火,或者在大氣層中爆炸——人類相當(dāng)于又經(jīng)歷了一次切爾諾貝利事故。
(3)投入火山。將危險的核廢料一股腦丟進火山,聽起來是個不錯的主意。2010年2月,美國《大眾科學(xué)》雜志曾討論過將高放射性廢物投入火山的可能性,美國火山地理學(xué)家指出,要想銷毀核廢料,火山需要滿足嚴(yán)格的熱度標(biāo)準(zhǔn),而這一標(biāo)準(zhǔn)幾乎無法實現(xiàn)。世界上最熱的火山巖漿溫度大約為1300攝氏度,這一溫度甚至無法熔解掉包覆在燃料棒中的鋯(鋯的熔點為1850攝氏度),更不用說核廢料本身。要想熔解掉核廢料并改變其放射性,所需要的溫度要比巖漿高幾萬倍。而且,由于火山里的液態(tài)巖漿會向上涌動,丟入火山的核廢料很可能無法沉入深處。更可怕的是,被用作核廢料儲藏所的火山一旦爆發(fā),就會噴出極具放射性的巖漿,整座火山的山坡都會變成核污染后的不毛之地,具有放射性的火山灰隨后會繞地球循環(huán)多次。
(4)埋入冰川。核廢料的溫度一般很高,將核廢料放在較為穩(wěn)定的冰原上,它們會隨著周圍冰的融化向下移動,上方的融冰又將再次凝固,這樣就將核廢料埋入冰川中。這一想法遭到拒絕的原因很多,其中之一就是冰原會發(fā)生移動,導(dǎo)致放射性物質(zhì)像冰山一樣在海洋中漂浮。另外,全球變暖一旦發(fā)生,高放射性的核廢料依然會進入生物圈。
以上4種設(shè)想都被證明不可行。
目前,國際上公認(rèn)的最安全的核廢料處置方式是選擇地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的地點,建造永久性處置庫,將核廢料深埋在地下。然而,永久性處置庫的選址和建造技術(shù)都非常復(fù)雜,至今世界上還未有一座真正建成。理想中核廢料的永久處置庫必須要保證10萬年以上的堅固,可是人類歷史上卻沒有任何工程的壽命達到過它的十分之一。所以說,迄今為止,核廢料的處置依然是世界難題。
三、各國的核廢料政策
世界上不同的國家對核廢料實行不同的管理政策,簡單地說,可以分為3種:
第一種叫一次通過,也就是不對核廢料進行任何處理,直接永久儲存。美國、加拿大、瑞典、芬蘭等國家采取這種政策。
第二種叫后處理,也就是通過機械、化學(xué)等手段將核廢料中的鈾和钚239分離出來,钚239由于可以制成新的核燃料,因而被看作一種重要資源。法國、英國、俄羅斯、日本、印度、中國等國家采用后處理政策。
第三種可以叫待定,有些國家由于沒有后處理廠,也沒有打算建造核廢料永久處置庫,因而采取長期中間儲存,待時機成熟再做決定。長期中間儲存是指這些核廢料仍舊儲存在冷卻池中,待冷卻后再轉(zhuǎn)移到干燥的儲存桶內(nèi),長期放置在核電站中。
以上3種政策并無高下之分,從長遠(yuǎn)來看,似乎第二種——核廢料的后處理更具優(yōu)勢。將核廢料中的鈾和钚分離出來制成新的核燃料,既可以充分利用資源,又能減小核廢料的體積,堪稱一舉雙得,一箭雙雕。然而,后處理并不是萬能的。有的專家夸大了后處理的作用,聲稱“核廢料不是廢物,而是未被利用的寶物”,這未免太過樂觀。這種“不是廢物,而是寶物”的論調(diào)雖然十分動聽,但事實上廢物就是廢物,不能利用的“寶物”也還是廢物。后處理技術(shù)提取出鈾和钚,雖然可以在一定程度上縮小核廢料的體積,卻并沒有改變核廢料中存在的其他元素的高放射性,更不可能將廢料全部轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)。
美國等國家采取一次通過政策也有自己的考慮。核廢料中的钚239不僅可以作為核燃料,同時也是恐怖分子夢寐以求的制造原子彈的重要材料,美國出于防止核擴散的考慮,明令禁止這種回收方案。此外,核廢料后處理的成本較高,每千克鈾的花費約為1000美元,出于經(jīng)濟上的考慮,在當(dāng)前鈾資源尚夠使用的時候,沒有必要充分節(jié)約。
責(zé)任編輯:電朵云
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