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核废料。我们都听说过它，但它到底是什么，为什么如此重要？这是一个没有解决方案的问题吗？这是一个多大的问题？今天，你就会知道了。
“核废料”一词常常让人联想到生锈的储罐将发出绿色光芒的放射性物质泄漏到河流和土壤中，导致附近城市的癌症和疾病，或者可能是变异生物造成严重破坏，摧毁了这些城市。
然而，随着世界逐渐减少对化石燃料的依赖，核能将在全球能源结构中发挥越来越重要的作用。因此，超越流行的描述并了解核废料的真正含义、它带来的风险以及如何管理它非常重要。
什么是核废料？
简单来说，核或放射性废物是指核反应堆运行、燃料后处理、武器生产、医疗设施和研究实验室产生的副产品。然而，这个术语涵盖了多种废物类型。核废料的独特之处在于其特性随着时间的推移而发生显着变化，从一种形式的废物转变为另一种形式的废物。
因此，答案并不简单，但也许最好的起点是最熟悉和最严重的核废料形式：高放废料，它是由民用核反应堆运行产生的。
核废料是如何产生的
在大多数核反应堆中，燃料包含在燃料棒热释放元件中。这些棒由燃料芯、抗辐射 metal 包层和端盖。燃料棒的类型取决于反应堆的类型、预期用途和冷却剂参数。在大多数现代工业反应堆中，燃料棒是一个直径约 2 厘米、长几米的圆柱体。这些棒含有浓缩铀，其中可裂变同位素铀-235 的浓度很高。元件放置在内部 meta合金管制成燃料棒，然后将其捆扎成束。这种组件统称为燃料组件。
核电站的运行基于链式核反应。首先，核能转化为热能，然后热能转化为机械能，最后机械能转化为电能。核能到热能的转化发生在反应堆的核心，其中铀裂变释放大量的热量。反应堆的燃料是浓缩铀，包含在燃料棒中。
燃料棒中的铀是一种放射性核素——一种具有不稳定核的物质，使其能够进行放射性衰变。当原子核衰变时，它分裂成两个裂变碎片，释放能量并产生 1 到 8 个中子。这些高速移动的中子与邻近的原子核碰撞，引发随后的裂变。如果燃料浓度足够高，就会导致自我维持的核链式反应。
产生的裂变碎片具有高动能，通过与其他元素原子的碰撞转化为热量，这一过程称为热化。这些热量由冷却剂（通常是纯净水）携带，冷却剂被泵入 steam 发电机由主循环泵组成。反应堆系统的一次冷却剂回路包括回路本身、压力补偿系统和主循环泵，其设计目的是确保冷却剂在设计规定的工况下通过反应堆堆芯循环。与燃料组件接触的冷却剂具有放射性，因此它包含在第一回路内并且不直接与第二回路相互作用。
来自封闭主回路的水 steam 发电机将其热能传递给次级回路的冷却剂（普通纯净水），使其沸腾。然后冷却的冷却剂被泵回反应堆，完成循环。这 steam 产生于 steam 发电机通过二次回路的管道引导至 steam 涡轮机，涡轮叶片旋转。这就是热能转化为机械能的过程。同时， steam 涡轮机连接到产生电能的发电机，从而将机械能转化为电能。
当消耗了足够的铀 235 时，燃料就被认为是废品，基本上变成了废物。这就是双环核电站的能源生产方式。
以供参考：目前，440个国家约有32座核反应堆在运行，总容量约为390吉瓦。 2022 年，发电量为 2,545 太瓦时，约占全球电力的 10%。截至 2023 年 60 月，约有 110 座反应堆正在建设中，并计划再建造 座，其中大部分位于亚洲。
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产生多少废物
核能之所以如此有吸引力，是因为其燃料的能量密度极高。一克铀释放的能量相当于3吨煤的能量。这意味着一座大型吉瓦反应堆每年产生的乏燃料不到30吨。当这些乏燃料除以反应堆服务的人数时，就会得到每人大约一块砖块大小的废物量，其中经过再处理后仅含有 5 克高放废物。
辐射
核废料造成的最明显的威胁是辐射。只要靠近就有可能造成伤害或死亡，这与任何有意义的“安全”的定义相去甚远。那么，辐射危害的本质到底是什么？它会持续多久？
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高放废物占乏燃料体积的 3%，但占其放射性的 95%。这些废物不仅具有高放射性，而且热度很高，需要仔细屏蔽，并且只能使用远程操纵器进行处理。为了了解这些废物离开反应堆时的放射性程度，他们在接下来的 10,000 年内每小时排放 10 贝克勒尔。就上下文而言，每小时仅 500 贝克勒尔就足以致命。
与砷或石棉等许多非核废物不同，核废物随着时间的推移而发生变化，因为原子经历放射性衰变，并且衰变产物从一种元素转变为另一种元素。这种衰变发生的速率称为半衰期。换句话说，放射性元素的半衰期是给定数量的一半衰变所需的时间。例如，同位素碘131的半衰期约为239天，而钚24,000的半衰期为年。
乍一看，碘似乎比钚更安全，因为碘衰变很快，而钚的放射性可以维持数个世纪。但事实恰恰相反。碘-131 极其危险，因为它的半衰期很短，这意味着它会在短时间内发出辐射。而钚的放射性只有中等程度。钚唯一可能造成重大风险的方式是摄入，这样粒子就会进入内部软组织，从而损害细胞。
这就是当燃料组件从反应堆移除时乏燃料被储存在反应堆现场的原因。这些燃料在乏燃料池的水下保存了数年，使危险的同位素衰变。在 40 年的时间里，放射性降低至燃料卸载时水平的千分之一。一到一万年之后，燃料仍然与制造它的原始矿石一样具有放射性。这种长期放射性是由于乏燃料转化为超铀元素，使其从高放射性废物变为中放射性废物，具有中等放射性。这就是为什么高放废物的处置还涉及中放废物的处置。
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废物处理
但这些高放射性废物是如何处置的，还有哪些替代方案呢？有多种处置方法，其中一些比目前优选的方法更简单。例如，废物可以密封在钢制容器中，并留在南极冰盖的稳定区域，最终会在接下来的 100,000 万年内融化并被埋在几公里厚的冰层下。或者，可以将废物放置在两个构造板块相遇的深矿井中，使其慢慢滑入地球的熔融地幔中。
也许最简单的方法是将罐子放入装有铅的尖头锥的飞镖内，然后将其投入深海。它们会高速撞击海底，将自己深埋在沉积物中。这种方法无意中被用于美国核潜艇的反应堆 蝎 和 脱粒机，该船于 1960 世纪 年代因两次不同的事故而沉没。美国海军从未努力恢复这些反应堆，因为它们无法定位，更不用说挖掘了。
不使用这些方法和其他方法有几个原因。有些因技术原因被驳回，而另一些则因国际协议而被排除。然而，他们中的大多数都有一个共同的缺点：废物一旦被掩埋，就无法回收。尽管很少讨论这一点，但高放核废料具有重要价值。它不仅可以被后处理以制造新的燃料，而且还含有大量医学和工业需求量很大的核同位素。因此，未来回收这些废物的潜力是非常可取的。
将乏核燃料储存在干桶中
燃料棒在乏燃料池中冷却后，会被转移到干燥桶中储存大约 10 年。冷却后的棒被放置在钢和混凝土圆筒中，高约 5 米，有多个内层、同心密封件和阻尼器。这些木桶充满惰性气体，旨在抵御龙卷风、地震、恐怖袭击和未经授权的访问。
它们不仅可以防止来自外部的辐射，还可以被动地散发棒释放的热量。
深层地质储藏库
下一步要么将燃料送去后处理，将其转化为新燃料，要么将其长期储存在地下深处。为了储存，乏燃料从燃料棒中取出，提取高放射性废物，然后将其转化为与熔融玻璃混合的干粉末。然后将该混合物倒入约 1 米高的不锈钢容器中并冷却。最终产品几乎呈化学惰性，放射性物质分散在整个玻璃中，减少了辐射量。
处理后，废物桶被转移到地质稳定地区建造的储存设施，与周围环境隔离。虽然废物可以回收，但预计在未来的某个时候，储存地点将被填满并密封。
加蓬的天然核反应堆说明了这种储存库的有效性，该反应堆是二十亿年前核矿石异常集中时形成的。尽管降雨和地下水渗漏，该反应堆中的核材料仅在岩石中迁移了约 10 米。许多国家都已批准建立此类地质处置库，美国已经在运营一个用于储存核武器生产废料的地质处置库。预计芬兰也将在不久的将来开设类似的设施。
未来
从技术角度来看，围绕核废料处置的问题已基本得到解决。低放废物通常会被回收，高放废物的处理方法已经到位或正在等待批准。除了储存高放废物外，还有其他方法对其进行管理，包括新型快中子反应堆和先进的回收技术。然而，不应自满。核废料极其危险，绝不能掉以轻心。
废物问题仍然是核工业的最大障碍之一，但这不是技术问题。这也不是经济问题。核工业的独特之处在于它必须将废物处理纳入工厂的运营成本，但经验表明废物管理仅占核电生产总成本的10%。
问题主要是政治性的。如果没有人希望在自家后院建造废物处理项目，那么成功的废物处理项目就没有意义。造成这种情况的原因有很多。对于一些人来说，这是由切尔诺贝利等事件驱动的真实而具体的环境问题。其他人则认为核能是基于可再生能源和有意识的能源消耗限制的经济的障碍。与此同时，许多人对核武器的反应是由冷战记忆和对核武器的恐惧决定的。
核废料是否会继续阻碍核能的发展还有待观察。然而，不可否认的是，无论对核废料的看法如何，这都不是一个可以用来根据首要原则驳回整个能源部门的理论问题。这是一个需要解决的问题。 80年来，世界范围内积累了大量的积累，我们需要找到解决方案。
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