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核电厂放射性废物有归宿

  发表日期:2016年8月16日   出处:国家核安全局微信        【编辑录入:jxnpc_amd

有的人一提到放射性废物就头痛,觉得很可怕。到底放射性废物能不能安全、妥善地处置呢?辐射危害有多大?能否防护?防护措施有保障吗?这是很多人所关心的问题。

核能开发利用和其他工业活动一样,均不可避免地产生废物。以法国为例,法国是个工业化国家,也是核电和核工业最发达的国家之一,核电占总发电量70%以上,有完整的核工业体系。法国产生废物量折合成人均为:工业废物3000千克/年,有毒废物100千克/年,放射性废物1千克/年(包括高放废物10克)。也就是说,核工业和核电高度发达的法国,有毒废物约占工业废物的3.3%,放射性废物只是有毒废物的1%。而高放废物又只是放射性废物的1%,可见放射性废物量是很小的。其他国家的核电地位远达不到法国的程度,它们的放射性废物占工业废物的比例会更小。


1 核燃料循环体系

核能开发等活动产生的放射性废物,从体积上看,95%以上都属于低、中放废物,其所含的放射性核素最终被固结在固化体中,封装在包装容器内之后,选择好地方,把它们埋藏在专门的混凝土构筑物内,即低、中放废物处置场。处置场的底部做过很好的处理,有承重、防渗、集水、吸附放射性核素等功能。上面覆盖几米厚的覆盖层,包括混凝土盖板、卵石层、沙土层、黏土层等,夯实之后还要种上植被。这样精心设计和建造的构筑物,能够防止深根植物、啮齿动物、穴居动物的闯入和人的挖掘活动。几十年之后,即使废物包装容器老化或破损,多数放射性核素只是被吸附在周围的土壤中。


2 我国广东北龙处置场地表设施

核工业界对低、中放废物处置场从选址、设计、建造到关闭,以及关闭之后的监护和监督都作了精心的安排。现在,世界上已建造了一百多个低、中放废物处置场。我国已在甘肃、广东和四川建造了3个低、中放废物处置场。实践证明,这种按照国际通用标准建设的处置场,对低、中放废物实行安全隔离是有保障的,可以保障人类和环境安全的。


3 基于处置的放射性废物分类体系

有人把高放废物看作老虎,提起高放废物,就“谈虎色变”。老虎会吃人,但把老虎关在铁笼中是安全的,在动物园没有谁会担心老虎吃人的问题。如果把高放废物装在“铁笼”中,再把铁笼禁锢在“地牢”中,高放废物不也就安全了吗?

媒体上经常提及的核废料实际上被核工业界称为乏燃料(spent fuel),即从核电等反应堆内卸出且不再使用的核燃料,通俗来讲就是使用过的核燃料(used fuel)。对于那些将乏燃料不再进行处理,而是直接处置的国家而言,乏燃料则被视为高放废物,如瑞典、芬兰、加拿大等。对于那些将乏燃料还要进行处理的国家而言,乏燃料就不是高放废物,而被视为一种资源,如法国、英国、俄罗斯、日本、印度等。当然,我国也是采用乏燃料后处理的国家之一。后处理就是对乏燃料进行剪切与溶解、去污、分离、纯化回收等步骤,通过这些步骤处理乏燃料不仅可以大幅提高铀资源利用率,更重要的是还可以大幅减少废物体积。

每座核电站都建有乏燃料贮存水池,自身反应堆卸出的乏燃料会暂时贮存在这个水池中。经过58年的贮存衰变后,乏燃料的放射性和衰变热均有大幅降低,然后再用专用乏燃料运输容器将其转运到后处理厂的乏燃料贮存水池内存放,等待后处理。


4 乏燃料水池

裂变反应产生的放射性核素虽有百余种,但是,大多数核素的寿命比较短,由于不断衰变,大多数核素逐渐变成了无害物质。废物处理中必须重视那些长寿命核素(如镎-237、钚-239、锝-99、碘-129等)。乏燃料经过处理后,将其中的铀、钚材料与裂变产物等实现分离,分离净化后的铀、钚材料可以再利用,含有裂变产物、次錒系和超铀元素的废液经浓缩处理后形成高放废液,高放废液与玻璃体熔融在一起,注入专用的不锈钢容器内形成玻璃固化体,即所谓的高放废物,贮存一段时间后,等待最终的深地质(通常认为大于300米的地下场所)处置。把这些乏燃料和高放废物存放在稳定地质构造中人工建造的地下储存库(repository)是一种可行的方案,这便是高放废物的最终处置方式,即深地质处置。在深地质处置中,盛放在容器中的乏燃料或高放废物被以某种方式密封,存放在隧道里,如图4所示。最外面一层防护机制就是地质构造本身(比如岩层)。


5 高放废物深地质处置库概念设计

如上所述,乏燃料后处理产生的高放废液经玻璃固化处理后,能使放射性核素转移到固化基质的分子网络结构中或分子结构的骨架上,难以被溶解出来,这就像“老虎关进了笼子”一样。玻璃固化的高放废物封装在特制的容器中,这种容器是用非常耐腐蚀的高级合金钢或铜等材料制造的。处置的时候,固化容器的周围还要填充吸附性能好的膨润土材料,这样构成了多道“人工屏障”。除此之外,还有优良的“天然屏障”。高放废物库建在几百米深地下的稳定地质层内(如花岗岩、粘土岩、盐岩等),其选址在既没有裂隙、断层、地震和火山活动,也没有矿藏和地下水流过的地质体。地质构造具有良好的阻滞放射性核素迁移和扩散的能力,可以起到有效隔离放射性核素的屏障作用。这样构筑的“地牢”可谓是“固若金汤、坚不可摧”。几千年甚至万年以后,即使有个别核素“破笼而出”,一路上被吸附、滞留、稀释、扩散和离子交换,侥幸逃跑出来的放射性核素,行进的速度也是非常缓慢,当它们到达人类生活环境的时候,也已衰减到无害化水平了。

除了高放废物的深地质处置路径之外,分离-嬗变也是一种正在开发研究的技术。简单说就是用中子去打那些放射性原子核,人工诱导把长寿命核素转变成短寿命核素或稳定同位素。分离-嬗变技术的优点是:一是使长寿命废物嬗变成短寿命废物,大大降低放射性毒性,大大减轻深地质处置的负担;二是实现清洁能源,促进核能可持续发展;三是提高铀资源利用率。相信不久的将来,这项技术可达到工程示范的规模,实现商业应用。

有人担心乏燃料和高放废物的衰变热问题,的确,当反应堆停堆时,链式反应也随之停止,但由于裂变产物的衰变,乏燃料仍然会释放出大量的热量。衰变放出的热功率大约是核反应堆稳定工作时功率的7%。但当反应堆停止链式反应1小时以后,衰变热功率约为稳定工作时功率的1.5%;一天以后变为0.4%;一周后变为0.2%。衰变热随时间会继续减小。

美国很多核电站卸出的乏燃料也是先存放在反应堆旁的水池内,经过一段时间的冷却后,乏燃料被转移到干式贮存库存放,这样的贮存方式仅依靠自然冷却即可保证乏燃料的温度不会升高,实现自然的热平衡。当然,乏燃料或高放废物在未来的深地质处置库内存放,其衰变热的导出以及实现自然的热平衡也是设计考虑的因素之一,经过试验模拟和程序计算,乏燃料和高放废物的衰变热对其本身、包装材料、回填材料和岩体的影响极有限,完全可控。


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