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核電廠放射性廢物有歸宿

  發表日期:2016年8月16日   出處:國家核安全局微信        【編輯錄入:jxnpc_amd

有的人一提到放射性廢物就頭痛,覺得很可怕。到底放射性廢物能不能安全、妥善地處置呢?輻射危害有多大?能否防護?防護措施有保障嗎?這是很多人所關心的問題。

核能開發利用和其他工業活動一樣,均不可避免地產生廢物。以法國為例,法國是個工業化國家,也是核電和核工業最發達的國家之一,核電占總發電量70%以上,有完整的核工業體系。法國產生廢物量折合成人均為:工業廢物3000千克/年,有毒廢物100千克/年,放射性廢物1千克/年(包括高放廢物10克)。也就是說,核工業和核電高度發達的法國,有毒廢物約占工業廢物的3.3%,放射性廢物只是有毒廢物的1%。而高放廢物又只是放射性廢物的1%,可見放射性廢物量是很小的。其他國家的核電地位遠達不到法國的程度,它們的放射性廢物占工業廢物的比例會更小。


1 核燃料循環體系

核能開發等活動產生的放射性廢物,從體積上看,95%以上都屬于低、中放廢物,其所含的放射性核素最終被固結在固化體中,封裝在包裝容器內之后,選擇好地方,把它們埋藏在專門的混凝土構筑物內,即低、中放廢物處置場。處置場的底部做過很好的處理,有承重、防滲、集水、吸附放射性核素等功能。上面覆蓋幾米厚的覆蓋層,包括混凝土蓋板、卵石層、沙土層、黏土層等,夯實之后還要種上植被。這樣精心設計和建造的構筑物,能夠防止深根植物、嚙齒動物、穴居動物的闖入和人的挖掘活動。幾十年之后,即使廢物包裝容器老化或破損,多數放射性核素只是被吸附在周圍的土壤中。


2 我國廣東北龍處置場地表設施

核工業界對低、中放廢物處置場從選址、設計、建造到關閉,以及關閉之后的監護和監督都作了精心的安排。現在,世界上已建造了一百多個低、中放廢物處置場。我國已在甘肅、廣東和四川建造了3個低、中放廢物處置場。實踐證明,這種按照國際通用標準建設的處置場,對低、中放廢物實行安全隔離是有保障的,可以保障人類和環境安全的。


3 基于處置的放射性廢物分類體系

有人把高放廢物看作老虎,提起高放廢物,就“談虎色變”。老虎會吃人,但把老虎關在鐵籠中是安全的,在動物園沒有誰會擔心老虎吃人的問題。如果把高放廢物裝在“鐵籠”中,再把鐵籠禁錮在“地牢”中,高放廢物不也就安全了嗎?

媒體上經常提及的核廢料實際上被核工業界稱為乏燃料(spent fuel),即從核電等反應堆內卸出且不再使用的核燃料,通俗來講就是使用過的核燃料(used fuel)。對于那些將乏燃料不再進行處理,而是直接處置的國家而言,乏燃料則被視為高放廢物,如瑞典、芬蘭、加拿大等。對于那些將乏燃料還要進行處理的國家而言,乏燃料就不是高放廢物,而被視為一種資源,如法國、英國、俄羅斯、日本、印度等。當然,我國也是采用乏燃料后處理的國家之一。后處理就是對乏燃料進行剪切與溶解、去污、分離、純化回收等步驟,通過這些步驟處理乏燃料不僅可以大幅提高鈾資源利用率,更重要的是還可以大幅減少廢物體積。

每座核電站都建有乏燃料貯存水池,自身反應堆卸出的乏燃料會暫時貯存在這個水池中。經過58年的貯存衰變后,乏燃料的放射性和衰變熱均有大幅降低,然后再用專用乏燃料運輸容器將其轉運到后處理廠的乏燃料貯存水池內存放,等待后處理。


4 乏燃料水池

裂變反應產生的放射性核素雖有百余種,但是,大多數核素的壽命比較短,由于不斷衰變,大多數核素逐漸變成了無害物質。廢物處理中必須重視那些長壽命核素(如镎-237、钚-239、锝-99、碘-129等)。乏燃料經過處理后,將其中的鈾、钚材料與裂變產物等實現分離,分離凈化后的鈾、钚材料可以再利用,含有裂變產物、次錒系和超鈾元素的廢液經濃縮處理后形成高放廢液,高放廢液與玻璃體熔融在一起,注入專用的不銹鋼容器內形成玻璃固化體,即所謂的高放廢物,貯存一段時間后,等待最終的深地質(通常認為大于300米的地下場所)處置。把這些乏燃料和高放廢物存放在穩定地質構造中人工建造的地下儲存庫(repository)是一種可行的方案,這便是高放廢物的最終處置方式,即深地質處置。在深地質處置中,盛放在容器中的乏燃料或高放廢物被以某種方式密封,存放在隧道里,如圖4所示。最外面一層防護機制就是地質構造本身(比如巖層)。


5 高放廢物深地質處置庫概念設計

如上所述,乏燃料后處理產生的高放廢液經玻璃固化處理后,能使放射性核素轉移到固化基質的分子網絡結構中或分子結構的骨架上,難以被溶解出來,這就像“老虎關進了籠子”一樣。玻璃固化的高放廢物封裝在特制的容器中,這種容器是用非常耐腐蝕的高級合金鋼或銅等材料制造的。處置的時候,固化容器的周圍還要填充吸附性能好的膨潤土材料,這樣構成了多道“人工屏障”。除此之外,還有優良的“天然屏障”。高放廢物庫建在幾百米深地下的穩定地質層內(如花崗巖、粘土巖、鹽巖等),其選址在既沒有裂隙、斷層、地震和火山活動,也沒有礦藏和地下水流過的地質體。地質構造具有良好的阻滯放射性核素遷移和擴散的能力,可以起到有效隔離放射性核素的屏障作用。這樣構筑的“地牢”可謂是“固若金湯、堅不可摧”。幾千年甚至萬年以后,即使有個別核素“破籠而出”,一路上被吸附、滯留、稀釋、擴散和離子交換,僥幸逃跑出來的放射性核素,行進的速度也是非常緩慢,當它們到達人類生活環境的時候,也已衰減到無害化水平了。

除了高放廢物的深地質處置路徑之外,分離-嬗變也是一種正在開發研究的技術。簡單說就是用中子去打那些放射性原子核,人工誘導把長壽命核素轉變成短壽命核素或穩定同位素。分離-嬗變技術的優點是:一是使長壽命廢物嬗變成短壽命廢物,大大降低放射性毒性,大大減輕深地質處置的負擔;二是實現清潔能源,促進核能可持續發展;三是提高鈾資源利用率。相信不久的將來,這項技術可達到工程示范的規模,實現商業應用。

有人擔心乏燃料和高放廢物的衰變熱問題,的確,當反應堆停堆時,鏈式反應也隨之停止,但由于裂變產物的衰變,乏燃料仍然會釋放出大量的熱量。衰變放出的熱功率大約是核反應堆穩定工作時功率的7%。但當反應堆停止鏈式反應1小時以后,衰變熱功率約為穩定工作時功率的1.5%;一天以后變為0.4%;一周后變為0.2%。衰變熱隨時間會繼續減小。

美國很多核電站卸出的乏燃料也是先存放在反應堆旁的水池內,經過一段時間的冷卻后,乏燃料被轉移到干式貯存庫存放,這樣的貯存方式僅依靠自然冷卻即可保證乏燃料的溫度不會升高,實現自然的熱平衡。當然,乏燃料或高放廢物在未來的深地質處置庫內存放,其衰變熱的導出以及實現自然的熱平衡也是設計考慮的因素之一,經過試驗模擬和程序計算,乏燃料和高放廢物的衰變熱對其本身、包裝材料、回填材料和巖體的影響極有限,完全可控。


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