核废料的处理方法

【摘 要】核能的飞速发展有效地缓解了世界能源日益匮乏的现状。在发达国家，核电已经成为电力总容量比重最高的能源。但是，核能的快速发展，必将产生大量的高水平放射性废物（高放废物）。由于其高放射性与长半衰期特征，因此对人类会产生很大的危害，所以对高放核废料的处理就成为一大难题。目前，对于核废料的处理鉴于以下几个方面：使用液压笼、封入合成岩、海床下储存、冰冻处理核废料、埋入潜没区、送入太空宇宙。但是，经过科学家的研究发现，深地层埋藏法被认为是处理核废料最切实可行的方法。这种方法，把放射性废物形成了四道屏蔽，保险可靠，不会对环境产生有害影响。

【关键词】核废料；高放射性；处理方法；深地层埋藏法

0.引言

核能的飞速发展有效地缓解了世界能源日益匮乏的现状。在法国等发达国家，核电已经成为电力总容量比重最高的能源；而在我国，核电仅占电力总容量的2%。因此，核电将是我国能源未来发展的一个重要方向。根据我国核电发展规划，到2020年，我国核电容量将达到（3.2～4）×107kW，占电力总容量的4%[1，2]。

随着核能的快速发展，必将产生大量的高水平放射性废物（高放废物）。据估算，到2015年，我国核电发展产生的高放废物将达到2000吨；2020年后，高放废物将以每年近千吨的产生速度增长[2]。高放废物中可能含有锝、铯、锶等高放射性核素和钚、镅、镎等超铀元素，具有高放射性，其半衰期也较长，会对人类的生存环境产生极大的危害[3]。因此，高放废物的安全处置问题已成为核技术发展的一个壁垒，引起了世界各国的关注。

1.核废料的定义与处理原则

1.1核废料的定义

核废料：泛指在核燃料生产、加工和核反应堆用过的不再需要的并具有放射性的废料。也专指核反应堆用过的乏燃料，经后处理回收钚239等可利用的核材料后，余下的不再需要的并具有放射性的废料。它分为高放、中放和低放三种类型。具有放射性，射线危害，热能释放三种特征。并且它危害性强，难运输，难储存，难降解。因此对于核废料的处理具有必要性与艰巨性的双重特性[4]。

1.2核废料的处理原则

核废料的处理有三个基本原则：（1）使之迟延与衰变。（2）稀释与分散。（3）浓缩与储存。目前对于低放射性的废气一般采用喷淋、清洗、过滤、浓缩的办法，使放射性降低到一定的标准后，通过高烟囱排放到大气中去。对低放射性的废液，采用净化的方法，即通过化学沉淀、蒸发、离子交换等三道工序进行处理，使其达到排放标准，然后排放掉或循环重复使用。对于高放射性废物，必须进行特殊处理，将它永久隔离起来。核废料处理中，高放射性废物的处理是最关键的问题。

由于对于核废料的处理必须是永久性处理，因此必须达到下面几个要求：（1）对任何生物不会造成污染。（2）储存后不再需要管理，也不需要监督。（3）对于子孙后代不会造成任何后患[5]。

2.核废料的处理方法设想

2.1使用液压笼，见图1

使用该方法，一旦渗入地下水，地下核废料储存设施将变得尤为危险。而液压笼的作用则是防止地下水污染这一最严重的情况发生。图片展示的是捷克的理查德核废料储存仓库。这种方法占地较大，不实用！

2.2封入合成岩，见图2

当前最为现实的做法，将放射性核废料封入合成岩中。合成岩于上世纪70年代研制，用于储存高放核废料。在设计上，合成岩可以吸收清水反应堆和钚核裂变产生的特定废物。它们是一种陶瓷制品，能够将核废料封入晶格内，用以模拟在地质构造上较为稳定的矿石。

2.3海床下储存，见图3

在海洋的大部分区域，海床都由厚重的粘土，构成，最适合吸收放射性衰变产物。1973年，伍兹？霍尔海洋研究所海洋学家第一次提出海床下储存的建议。1986年，美国曾认真考虑这种处理方式。海床下储存需要在水下钻孔，当前的“深海地平线”原油泄漏事故让这样一种需要小心对待的解决方案需要相当长时间才能付诸实施。此外，在海洋处理核废料的做法也有违国际惯例。也就是说，采取这种处理方式需要修改国际协议。

2.4冰冻处理核废料，见图4

此方法温度很高，科学家杰西·奥苏伯尔设计的装满核废料的钨球可以产生足够热量将其埋入岩石中，但在考虑这种处理方式前，必须对下方的岩石有足够了解。另一种想法在上世纪70年代便遭到抛弃，那便是将核废料储存在冰川内。将核废料球放入较为稳定的冰原，它们会随着周围冰的融化向下移动，身后的融冰则又再次凝固。这一想法遭到拒绝的原因很多，其中一个原因便是冰原会发生移动，导致放射性物质会像冰山一样在海洋中漂浮。

2.5埋入潜没区，见图5

将核废料埋入潜没区（潜没是指一个板块受力下降到另一板块之下的过程）可以让用过的核燃料棒沿着地球构造板块的“传送带”移动并最终进入地幔。虽然一些人支持这种处理方式，但它并不在美国能源部考虑之列。与海床下储存一样，埋入潜没区这种处理方式也违背国际条约。来自潜没海床的岩浆会从火山涌出，这也是一个不得不考虑的因素。

2.6送入太空宇宙，见图6

這种方法会产生放射性物质，但也可以充当地球核废料的一个储存仓库。如果在太阳系游荡或者坠入太阳，核废料便很难对地球上的人类具有很大破坏性。当前面临的问题是，如何将核废料送入太空。使用火箭发射这种方式有时会遭遇失败，例如发射架起火、坠入大海或者在上层大气中发生爆炸。目前人类不太可能将发射的失败率降为零。在能够实现这一点之前，通过发射将用过的核燃料棒送入太空仍旧是一种非常危险的解决方案。即使太空发射的安全性达到允许我们将钚等放射性物质送入太空的程度，在将来的某一天，我们似乎也要重新找回这些物质。钚、铯以及锶本身就是有限资源，如果裂变反应堆技术先进到一定程度，它们又会成为燃料。也就是说，我们似乎需要将核废料留在“身边”以便在需要的时候使用，这才是一种合理做法。

3.深地层埋藏法对核废料的处理

3.1 深地层埋藏法

目前，科学家研究出一种最有希望的核废料处理技术，叫作深地层埋藏法，见图7。这种方法是先把核废料在高压下变成粉末，渗入焚化了的玻璃液中，冷却后成为玻璃块，把它埋入不渗水的结晶岩石或花岗岩中的地下井内，深度达500m～1000m。容器放入以后，周围用膨润土和特制的粘土回填固封。这种方法，把放射性废物形成了四道屏蔽：（1）具有防水性能和耐辐照性能好的玻璃固化体。（2）能经受长期地下水浸蚀的用铜、钦等合金制造的容器。（3）固封回填后，可防止放射性物质向外扩散。（4）坚固结晶岩或花岗岩，对放射性物质有巨大的吸附、滞留和稀释作用。这种埋藏法保险可靠，不会对环境产生有害影响。

但采用此法，在选址时要注意以下几个方面：（1）地形是否平缓，与断裂构造之间是否相距很远，地层必须稳定可靠，千万年不会发生变化。（2）地震活动是否强烈，含水量是否低，在埋藏地区要先进行钻探试验，了解地层情况。（3）是否存在有价值的矿物，埋藏地区永远不被人开挖施工，以防发生危险。

3.2 深地层埋藏法的优缺点

深地层埋藏法处理高放核废料之所以被公认为最切合实际，是因为该法具有以下优点：（1）具有防水性能和耐辐照性能好的玻璃固化体。（2）能经受长期地下水浸蚀的用铜、钦等合金制造的容器。（3）固封回填后，可防止放射性物质向外扩散。（4）坚固结晶岩或花岗岩，对放射性物质有巨大的吸附、滞留和稀释作用。

同时，使用该方法，却也存在一些或大或小的问题需要解决，也就是该方法存在的几个缺点：（1）具体操作仍不明确，尚存争论。（2）高放元素（钚、铯、锶）回收仍具挑战。

但总体来说，深地层埋藏法是科学家研究出的近阶段处理高放核废料的最有希望的一種核废料处理技术。技术上、经济上以及客观因素上，目前世界上的大多数发达国家，例如德国、美国、法国等已经具备了实现该方法的条件。我国也开始着手对于该方法的使用研究，其中很重要一项，即处置库的选址已经完成。

4.结论

随着经济的快速发展，对能源需求量的增加，原有的不可再生能源的有限条件下，核工业的发展是个大趋势。但是在这个大趋势条件下，核废料的大量产生就不可避免，如何处理这些核废料便成了众多科学家研究的难题。对于假想的核废料的处理方法（下转第257页）（上接第224页）中，深地质处置法是科学家研究出一种最有希望的核废料处理技术，是公认的现阶段处理高放核废料的最切实可行的处理方法。它可以形成四道屏蔽系统，有效隔绝高放废物对周边环境的影响，具有一系列的优点，也是近阶段研究最多的对高放废物的处理方法。目前，美国、德国等发达国家已经有相关的核废料处理经验，我国对于该方法也进行了大量的科学研究，并取得了一定的研究成果。 [科]

【参考文献】

[1]王驹.高放废物深地质处置：回顾与展望[J].铀矿地质，2009，25（2）：71-77.

[2]王驹.我国高放废物深地质处置战略规划探讨[J].铀矿地质，2004，20（4）：196-204.

[3]罗嗣海，钱七虎，周文斌等.高放废物深地质处置及其研究概况[J].岩石力学与工程学报，2004，23（5）：831-838.

[4]闵茂中.放射性废物处置原理[M].北京：原子能出版社，1998.

[5]罗嗣海，钱七虎，周文斌，李金轩，易萍华.高放废物深地质处置及其研究概况[J].岩石力学与工程学报，2004，23（5）：831～838.

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