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什么是核廢料?核廢料去了哪里?

2021-11-05 15:28  來源:新浪科技  瀏覽:  

我們可以利用核裂變來發電,但同時也會產生核廢料。這些核廢料可以安全地儲存,直到最終衰變,然后安全處理。

盡管有人曾預言,世界最終將因核戰爭而毀滅,但在現實生活中,核能正發揮著越來越重要的作用。然而,和其他工業一樣,核電站也會產生廢料,即放射性廢料。我們應當妥善地處理放射性廢料,以避免有害輻射泄漏到環境中。

什么是核電站?

全世界大約10%的電力來自核電站。這些核電站的核心便是核反應堆,可以進行并控制一系列核裂變事件。核裂變是一個將大質量原子核分裂成較小原子核并釋放能量的過程。原子核不斷分裂成更小“碎片”的過程——稱為裂變鏈式反應——會產生大量的熱,可以將水煮沸產生水蒸氣,進而推動渦輪葉片產生電力。除了核裂變,還有另一種能釋放巨大能量的核反應——核聚變,即小質量的兩個原子核聚合形成一個較大的原子核,在這一過程中釋放能量。目前,科學家們正在努力研究如何控制核聚變,但仍有相當長的路要走。

什么是核廢料?

任何利用放射性物質的活動都會產生放射性廢料,因此,核電站產生廢料并不奇怪。不過,相比燃煤電廠產生的廢料,核電站產生的廢料體量要小得多。核廢料可按物理狀態分為固體、液體和氣體三種;按照放射性水平,核廢料又可分為低水平(低放)、中水平(中放)和高水平(高放)三類。通常而言,核廢料指的是高放廢料,即反應堆中使用后的核燃料,又稱乏燃料;中、低放廢料則來源于核電站使用過的廢棄退役的儀器設備,以及核燃料生產加工中產生的廢料等。

核裂變鏈式反應會產生多種產物

在核電站中,核燃料每12到18個月更換一次,以保持反應堆的高效性能。這些乏燃料具有很高的放射性,溫度也很高。乏燃料產生的高放廢料只占放射性廢料總量的3%,卻具有放射性總量的95%。相反,低放廢料占地球上放射性廢料的90%,但只含有放射性總量的1%。核電站中使用的工作服和工具甚至也被認為是低放廢料。

核燃料中未裂變的原子,以及核裂變的產物,如新生成較小的原子核,構成了大部分的放射性核廢料。核裂變產物通常包含元素周期表中的元素,如氪和銫,以及鐵、鋅等元素的同位素。用過的反應堆燃料是固體形式的,看起來幾乎與新燃料相同,都是包裹在金屬管中的固體顆粒。盡管表面上看起來差不多,但二者的乏燃料含量卻不盡相同。

核廢料去了哪里?

放射性廢料不能像其他廢料一樣傾倒在垃圾填埋場。儲存核廢料是一項危險的工作,需要非常周密的計劃。這些廢料具有很高的放射性,可能對生態系統構成嚴重的威脅,因此成為許多人關注和擔憂的問題。與其他會產生長期危險的工業廢料(比如鎘和汞等重金屬)不同,核廢料的毒性會隨著時間的推移而降低。只有約3%的核廢料是長壽命且高放射性的,因此需要數千年的隔絕處理。

低放射性水平核廢料的處理

大多數中低放廢料會被壓縮并固化裝桶,然后送到淺地層的處置庫安全貯存。還有一些中低放射性的廢料、廢液會通過工廠的多道工序進行處理,使其達到規定的排放標準,然后排放掉或循環重復利用。

這種處理造成的輻射只影響現有自然本底輻射的一小部分。核電站和再處理工廠也會向大氣中釋放少量的惰性氣體氪-85、氙-133和微量碘-131。在任何生命周期的分析中,它們的影響都極其微小。

相比之下,處理乏燃料(高放廢料)可能就非常棘手了。當乏燃料從反應堆中取出時,其溫度和放射性都很高。因此,乏燃料需要被保存在水下5到8年,直到輻射減弱到可以在沒有水的情況下冷卻。通過這一過程,對廢料的回收和處理就更加容易。

冷卻后,這些廢料要么被回收,要么被轉移到一個干燥的桶中,桶的外部是混凝土或裝有惰性氣體的多用途罐。這些桶在設計上都可以長期使用,并且足夠安全,甚至你都可以走近觸摸。法國、日本、英國等國家采取后處理方式來回收乏燃料,高放廢料中的裂變產物如銫-137、鍶-90等,也可用回收用于工業和醫療應用,包括血液輻照、食品保鮮和污水處理等。不過,這種方式的缺點是難度大、費用較高,同時因可生產出高純度的钚,有核擴散風險。

通過回收乏燃料來重新利用這些有價值的同位素,使得放射性廢料更像是一種資源而不是負擔。另一種處理核廢料的方式是直接處置,以加拿大、德國、芬蘭、瑞典為代表的國家主要采用這種方式。在這種方案中,廢棄核燃料會先在反應堆冷卻池中冷卻一段時間,然后轉移到臨時存儲廠,在至少存放50年后,經過固化、封裝等處理過程,最后進行地質深埋。一旦封裝好的廢料桶被固定住,一層層的巖石和黏土就會將它們密封在適當的位置。這種處理方式可以固定放射性元素并將它們與大氣隔絕。

有什么辦法可以防止核電站產生廢料?

乏燃料池

如前所述,核能有兩種來源——核裂變和核聚變。目前世界上所有的核電站都使用核裂變發電。核裂變會產生不穩定的原子核,這些原子核在數千年里都保持著放射性。相比之下,核聚變不會產生任何放射性廢料,而是會產生氦——一種對生命無害的惰性氣體。如果能實現核聚變發電,就將大大減少放射性廢料的形成。

然而,利用核聚變發電的技術仍處于初級階段。核聚變反應堆的原型預計將在2040年投入使用?;蛟S到本世紀的下半葉,核聚變發電才會迎來最激動人心的突破。

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