最危险的垃圾!一文盘点核废料的产生与处理

扑克投资家 2021-04-14 20:00

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作 者 | 章舟
来 源 | 扑克财经


这几天,全世界尤其是环太平洋的国家,都在关注一个地方——日本福岛!原因是,日本现在计划,将福岛核电站产生的130多万吨废水经过处理后,直接排入太平洋。而这个计划一旦成功,意味着整个太平洋沿岸的国家都可能受到影响!如此“倒行逆施”自然遭到各方的强烈关切。

【图】福岛当地储存核废水的罐子(图片来源:网络)

这一决定意味着,东京电力公司将获准在两年内启动核污水的排放工作。这些仍具有放射性的污水,是十年前福岛核泄漏事故之后用来冷却融毁受损的反应堆而不断产生的。而日本这一“缺德”之举,也为世人敲响了警钟——核电站到底安全么?

实际上,即使没有如福岛核泄漏这样的重大事故,在核电站的正常运行中,对高放射性核废料的处理也是困扰世界各国的难题。而核废料处理,也形成了有一定规模的产业。今天我们就来简要梳理一下,核废料的产生和归宿,以及是否有可能“变废为宝”。


最危险的垃圾,是如何产生的?


其实,核能作为一种高效清洁的能源,在人们生活中占据了一席重要的地位。据国际原子能机构统计,2019年,核能发电量达到2657 TWh,足以满足世界电力需求的10%以上。其中,亚洲的增长尤其强劲,亚洲的核能发电量在2019年增长了17%。

【图】2019年核能发电占全球需求的10%以上(图片来源:IAEA)

核能释放的方式,可以分成重核裂变和轻核聚变两种,而轻核聚变由于控制起来很难,因而将其应用于核电目前还处于科研阶段,距离实际应用可能还有无数难关需要克服。而要实现可控核聚变,目前的一条试验路径是利用超导“托克马克”装置,这条路线是苏联首先发展的,目前在合肥也有一部该原理的装置。

【图】位于合肥的“托克马克”(图片来源:网络)

所有规模化应用的核电站,全都是通过重核裂变的链式反应来提供能量的,其中压水反应堆核电站占了核电站的六成以上。

所谓压水反应堆,是指使用轻水(即普通净化水)作冷却剂和慢化剂,且水在反应堆内保持液态的核反应堆。。燃料为加浓铀(约含30%的235U),是世界上公认技术最成熟、运行安全、经济实用的反应堆堆型,最早是用于核潜艇的军用反应堆。1961年,美国建成世界上第一座商用压水堆核电站。我国除秦山三期外,目前运行的核电机组全部为压水堆。

【图】压水反应堆的工作原理(图片来源:电力界)

除了压水外,核反应堆的类型还有沸水堆、重水堆、高温气冷堆和快中子反应堆等。这些反应堆的原理在此不一一介绍了,但无论哪种反应堆,都逃不过一个“顽疾”——核废料的处理!

广义的核废料分为高放射性、中放射性、低放射性三类,而狭义的核废料,则专指高放射性核废料(本文主要指此类)。

中低放射性核废料一般包括核电站的污染设备、检测设备、运行时的水化系统、交换树脂、废水废液和手套等劳保用品,对人及环境危害性较低,而且也便于处理。而高放射性核废料则主要包括核燃料在发电后产生的乏燃料及其处理物,内含有多种对人体危害极大的高放射性元素!

那么什么是乏燃料?讲白了就是核燃料链式反应完的产物。

事实上,核裂变的链式反应是非常复杂的,反应堆核燃料的主要成分是铀的氧化物,其中的铀由铀238和铀235两种同位素构成,而反应过后的核废料则变成具有一系列高放射性元素的复杂产物,其中包括:

(1)少量未用完的铀235以及大量铀238。

(2)质量数为66~172的100多种初级裂变产物。这些产物几乎都具有放射性,平均经过3~4次的放射性衰变才能转变成稳定的核素。

(3)新生成的裂变材料钚239。钚239在自然界中几乎是不存在的,它的半衰期达到2.4万年。经过处理的钚239也可以作为反应堆新的核燃料,同时也是制造核武器的重要原料。

(4)镎、镅、锔等次要锕系元素。这类元素原本并不存在于自然环境中,是铀238在核反应中连续俘获中子生成的,具有放射性强、毒性大、寿命长的特点,某些核素的半衰期甚至可以达到数十万年。

人体接触这些放射性元素超过正常的辐射剂量,电离辐射将会破坏人体细胞中DNA的双螺旋结构,使碱基丢失损坏。例如2016年在英国去世的俄罗斯特工利特维年科,据信就是因剧毒的放射性钋210去世的——同样也是乏燃料的成分之一。

乏燃料的凶险之处还不光于其毒性:由于放射性是这些核素本身的性质,因此通常的物理化学处理手段根本伤不到它一根毫毛!并且链式反应后,这些核素以多种形态存在于乏燃料中,无形中进一步增大了处理难度。

【图】乏燃料中各种放射性核素的化学形式(图片来源:维基百科)

综上所述,核废料之所以比核燃料更为凶恶,主要有以下三点原因:

第一是高放射性。核废料放出的射线对人体有致命伤害,任何运输和操作过程都具有危险性。

第二是复杂性。核废料中的物质成分非常复杂,有些国家会将核废料中的一些有用物质,如钚239回收利用,但操作起来难度很大,成本很高。

第三是放热性。核废料因为元素衰变而不断放出热能,这一点增加了管理难度。核废料被放置在液体中时,放出的热能容易导致液体沸腾,核废料被封存在固体中时,放出的热能容易导致保护壳熔化——为什么福岛核电站要用大量的水降温,就是防止外壳熔化造成更严重的泄露!

如果将核燃料比喻成被封印的恶魔,那核电站的裂变过程就相当于解开了恶魔的封印,出世后的恶魔逐渐露出嗜血的面目,人类想尽办法,只希望能将它再度关回笼中。人类自从利用核能开始,核废料的处置难题就一直萦绕其间。

核废料都去哪里了?——潘多拉的盒子万不可打开


1. 什么是安全的核废料处理方式?

上个世纪的冷战期间,原苏联出于成本等因素考虑,将核武器工厂产生的废料直接排入了附近的河流湖泊当中,造成了严重生态灾难,

例如,位于著名的原子能城车里雅宾斯克旁边的加腊苏湖曾经是野生动物的乐园,如今却因受到核废料污染,加上1957年发生了严重的核泄漏安全事故(人类历史上第三大核泄漏事故),变成了一潭死水,据俄罗斯环保专家称,该湖的生态环境在未来十几万年内都无法得到恢复。时隔60年后的2017年,当地仍传出检测到高放射性钌的消息,可见核废料危害影响之久远!

【图】当地禁止进入高放射地区的警示牌(图片来源:纽约时报)

为了寻找安全处理高放废料的方法,人类从上个世纪50年代起就开始了相关研究。有人曾提出用火箭把高放废料送到宇宙空间。可是这种方法费用极高,而且火箭发射还有失败的风险,所以这种方法仅停留在设想阶段。

之后,有人又提出了冰盖处置的设想。就是把高放废物放置在南极或北极的冰盖上,由高放废料本身产生热量融化冰层,使废料桶最后沉到冰层底部,从而被永久隔离。但是由于冰盖路途遥远,冰盖的地质演化具有不确定性,因而这种方法具有较大的风险。

除此之外,还有科学家提出将核废料抛入深海沟等方法,对于一些低放射性的核废料,部分国家选择将它们永久沉入4000米以下的深海底部,海床底部的土质厚实容易吸收放射性物质,制作方法当然也和中高放射性核废料的方法一样,都是采用罐装的形式。原则上是至少检测300年的时间,下图中的红点就是国际指定的核废料海洋投放点。

【图】指定的核废料海洋投放点(图片来源:网络)

根据《南德日报》1991年曾报道,苏联议员Andrej Sololkow发现在1963年至1986年间苏联在巴伦支海和喀拉海的众多地区倾倒了大量放射性废物。据统计,在上世纪60年代的30年左右的时间内,前后有13个国家曾经将核废料排放入海。

但是这种方法也不是万无一失:海水有腐蚀性,可能会腐蚀容器,造成废料外泄。因而这种方法只适合低放射性核废料。并且未经允许,向海中投放核废料的事情一旦爆出,通常会引发严重的风波,也导致了向海洋中偷排核废料的现象屡禁不止。

【图】海底的核废料罐,已经锈迹斑斑(图片来源:网络)

经过多年的试验与研究,目前世界上公认的最安全可行的方法就是深地质处置方法,即将高放废料保存在地下深处的特殊仓库中永久保存——绝大部分国家都是这么做的。

2. 特殊仓库,能保证永久安全么?

由于巨大的危险性,储存核废料仓库的要求也比普通废料更为“苛刻”。具体说来,以下要求必须满足:

最重要的条件是要安全,能够永久地将核废料封闭在一个“容器”里,并保证数万年内不泄漏出放射性。要找到一种能够在几万年内,都经受得住放射线辐射的物体,一直是科学家努力的方向。

还要寻找一处安全、永久存放核废料的地点。这个地点要求物理环境特别稳定,长久地不受水和空气的侵蚀,并能经受住地震、火山、爆炸的冲击。

实验证明,在花岗岩层、岩盐层以及粘土层可以有效地保证核废料容器数百年内不遭破坏。从2004年开始,芬兰就在北极圈附近动工开建一个规模庞大的核电站废料填埋场,并已于
2020年底开始投入使用。

这个巨大到匪夷所思的核废料填埋场,建在距离芬兰首都赫尔辛基不远的奥尔基洛托岛(Olkiluoto)岛上,紧挨着正在运行的奥尔基洛托核电站。填埋场名为安克罗(Onkalo),意思是“隐匿之所”。

放置核废料的地下仓库,开挖于地下500米青灰色马岩层当中。为了近一步阻隔核辐射,前往500米深处填埋地点的隧道,足足修了5000多米,从地面一直往复蜿蜒向下。

【图】施工中的安克罗核废料处理场(图片来源:网络)

整个项目投资高达35亿欧元,折合261.15亿人民币。按照设计,这个填埋场将放置9000吨左右的核废料,然后完全封闭,至少10万年内不会发生泄漏事故。

由于背靠芬兰西部的花岗岩基岩(已存在18亿年),该设施的稳定性也能得到保障。地下温度和湿度都很低,这对于核废料的安全储存非常重要。

为了方便未来的人类子孙能够看懂或者理解这个设施的危险性,设计人员计划在设施内部标上很多警示卡通画,设施外部的警示雕塑会直观形象地表现核废料的危害性,防止未来人误入或打开该设施。至于这些核废料究竟能否保存10万年,恐怕只有时间才能给出答案。

但即使安克罗成功运行,也不可能彻底解决全世界的核废料问题!

据国际原子能机构数据,现在全世界核废料约近30万吨,即便把安克罗填满,也只能消化其中少部分;而且,全世界每天至少要增加25吨核废料。照此计算,需要建造30座安克罗才能处理存量,同时,每年建造一座安克罗解决增量,这显然是不现实的!

要想彻底解决核废料问题,最好的办法便是“变废为宝”——让危险的核废料变成有价值的能源,而这并不是天方夜谭,而已经变成了现实。

核废料,如何变废为宝?


处理核废料,有一种让人“脑洞大开”的途径——做成电池!

英国布里斯托大学卡波特研究所(University of Bristol Cabot Institute)的科学家正尝试一种创新的发电方式,能够一石二鸟,不仅解决核废料问题,还开发出新的发电来源。

该所的材料学教授史考特(Tom Scott)指出,把这些钻石放置在放射区域时,它们会产生微弱的电流。研究人员再把钻石电池封装在另一颗非放射性钻石中,以吸收有害放射物,并释放更多的电能,发电效率接近100%。这种发电方式不会排放任何废气,也不需维修,非常适合应用在“无法为传统电池充电或更换电池”的环境。

总部位于加州的初创公司NDB甚至推出了一种使用核废料的纳米金刚石电池,使用寿命长达28000年。该电池可用于为各种尺寸的设备和机器供电,从飞机和火箭到电动汽车和智能手机。

研究人员认为,借助NDB电池,人类实现了从无到有的突破,这是一种硅持续数千年且仅需使用自然空气就能为设备供电的电池,能大规模应用,是突破性的专有技术。目前,这种电池已经完成原型测试。

【图】NDB电池原型概念(图片来源:网络)

当然,电池只是杯水车薪,最好的办法是能让核废料重新发光发热!

传统的核电站(从第一代到第三代),主要利用的天然铀矿中含量只有2%~3%的U-235,而含量约有97%~98%的U-238则因反应能力不足,无法得到利用而被抛弃,这不仅增加了核废料的数量,也造成资源的很大浪费。据测算,按照目前核电站对铀的消耗速度,全世界的铀储量只够维持200到300年。

不过第四代反应堆(Gen IV)可能彻底改变这一现状。它是一系列研究中的理论反应堆设计,其设计特征为:核能的可持续利用、经济性、安全与可靠性及防扩散与实物保护。相对于现行核电站技术,第四代反应堆有以下优点:

核废料仍有放射性,但半衰期已从数百万年降至数百年——再也不用修建上文所述的“废料仓库了”;
使用新式设计后,同样数量的核燃料多产出100至300倍的能量——凭空增加几百倍能源;
可利用现有核废料发电——变废为宝
大幅改善运转安全性——希望是真的。

但截至目前,Gen IV还处于科学实验阶段,距离大规模实际生产应用还有很长的路要走。截止至2018年7月,全球GIF初步确定六种候选堆型。以中子能量作区分:3种热中子反应堆与3种快中子反应堆。其中热中子家族的超高温气冷堆(VHTR)也是一种具潜力的高效产氢方式,可降低燃料电池成本;快反应堆则是能将长半衰期的锕系元素烧掉,减少核废料,并“滋生更多燃料”。

下面这张图,就展现了六种候选堆型各自的特点:
【图】六种第四代候选堆型各自的特点(图片来源:维基百科)

在第四代核电技术的发展上,中国已经先行一步:据科技日报,位于山东荣成的华能石岛湾核电高温气冷堆示范工程预计这个月就会装料,今年底发电正式投入商业运行。这是世界首座高温气冷堆核电站示范工程,也是世界上第一座第四代核电站,把人类的核工业水平推向了史无前例的新阶段。


中国,是世界上第一个用第四代核电技术实际建造了电站的国家。技术长期积累加上历史性的突破,正是中国加快布局核电站的底气。

日本福岛核事故后,中国暂停了所有内陆核电站建设,核电业发展陷入低谷。目前,中国60多台在运核电机组均布置在沿海,但沿海适合做核电站的地段不用多久就会饱和。只有往内陆布局,中国才能修建更多的核电站,改变火力发电量占比高达70.5%的尴尬局面。帮助中国在2030年前碳排放达到峰值,2060年前实现碳中和。


【参考文章】

 1. 世界性难题——核电的核废料处置;核品汇,2018

2. 140万吨福岛核污水,除了排入大海还有别的更好办法吗?经纬创投,2021

3. 核废料制成电池,寿命28,000年;全球光伏,2020

4. 日本核污染阴影笼罩太平洋,中国出手了!智谷趋势,2021



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