核废料处理(中国核污染废水处理技术)

4月13日，日本政府正式决定以海洋排放的方式处理福岛核电站的核污水，遭到当地渔业、周边国家的抗议和多国的谴责。

NHK的报道截图

众所周知，海洋是相通的，随着核污水的扩散，全球生态都可能受到影响。

奥特曼一听就怒了|来源:迪迦奥特曼

之前的文章《核辐射，你想知道的几乎这里的一切》也知道了核辐射为什么这么厉害，以及我们应该如何正确对待核辐射。

作为与百姓息息相关的核电站，自然更受关注。边肖还查了很多资料，知道如何正确处理核废料。今天就给大家讲讲。

与传统火力发电厂相比，核电站具有非常明显的优势，如无废气排放、无温室效应、不需要原材料、能量密度高(约为化石燃料的几百万倍)等。然而，如果核废料处理不当，高强度放射性物质将释放到外部环境中，对生态和人类造成危害。

大亚湾核电站来源:百度

但是，我们不必谈核色变。我们应该合理利用核能，妥善处理核电站产生的核废料。核能是一种极好的能源。

1核电厂的工作原理

从目前派上用场的核电站来看，原理就是单纯烧水，只是用核能烧水。

来源:新华网

核电站利用核裂变将核能转化为大量热能，然后热能被水取出，产生高压蒸汽，驱动涡轮，然后发电机叶片旋转，利用电磁感应定律将其转化为电能。

核裂变图|来源:btime

福岛核电站是沸水堆(BWR)，是一种轻水反应堆。

核反应堆的分类|来源:维基

沸水反应堆(BWR)是第二种最常见的核能发电反应堆，以去离子水作为冷却剂和慢化剂。冷却水从反应堆堆芯下部流入，在沿着堆芯上升的过程中，从燃料棒中获得热量，冷却剂变成蒸汽和水的混合物。分离出来的蒸汽经过汽水分离器和蒸汽干燥器后，推动汽轮发电机发电。

沸水堆工作图|来源:维基

沸水堆只有一个回路，最大的优点是结构和操作相对简单，体积小，成本低。但是，由于沸水堆的循环系统直接将堆芯与汽轮机相连，可能会对汽轮机造成放射性污染，给设计和维护带来麻烦。

2正常核废料和事故核废料的区别

福岛核电站事故的核废水与核电站正常运行时排放的冷却水不是一种水。

国际核事故分级表(国际核事故等级)通常用于核电厂事故的分级。

国际核与辐射事件分类|来源:搜狐

地震和海啸引发的福岛核电站事故被列为7级灾难性事故。7级灾难性事故是指大型核装置(如动力堆堆芯)的大部分放射性物质将被释放到外部，通常包括长寿命和短寿命放射性裂变产物的混合物。这种释放可能在大范围内造成急性健康影响、慢性健康影响和长期环境后果。

福岛核事故初期，为了减轻后果，向4个机组的反应堆、安全壳和乏燃料池注入了大量海水和淡水。虽然燃料得到了有效冷却，但由于与受损堆芯直接接触，产生了大量放射性废液。这些废液虽然经过处理，但仍然比普通冷却水的放射性大。这是日本最近决定排放的核污水。而核电站排出的普通冷却水几乎没有放射性(下文描述)。

核电厂产生的3种废物

核废料，即含有放射性核素的废物，按其物质状态可分为固态、气态和液态，也可按其辐射量分为低、中、高三级，辐射量可用放射性核素的比活度来衡量。

比活度是放射源的放射性活度与其质量的比值，即单位质量产物中所含某种核素的活度。

活度是指单位时间内特定能量状态的放射性核素衰变的次数。目前国际上的活度单位是贝克勒尔(Bq)，意思是每秒钟发生一次衰变。一克的镭活度为3.7×10 ⁰Bq，即1Ci，这也是居里(Ci)的定义，一个常用的单位。

来源:搜狐

高等级核废料主要来自反应堆堆芯置换出来的燃料，即乏燃料。由于铀含量减少，它们已不能维持核反应，但仍具有很强的放射性。

注:乏燃料含有大量未使用的扩散材料U -238或Th -232、未燃烧的和新生成的裂变材料Pu -239、U -235或U -233、核燃料辐照过程中产生的镎、镅和锔等超铀元素以及裂变元素锶-90和铯。

来源:999gou

低品位核废料主要是指核电站运行过程中除堆芯以外的其他废物，如正常产生的废水、工人衣物、废弃零部件等。

核废料也可以根据半衰期来分类。半衰期是指放射性元素半数原子核衰变所需的时间，可以用来衡量放射性物质的寿命。下表列出了乏燃料中常见核素的半衰期。

来自作者

4核废料的处理

与日常生活中的废弃物相比，核废料更加危险，核废料发出的辐射会对生物造成辐射损伤，造成不可逆的损害。而且核废料的放射性是任何物理、化学、生物方法都无法消除的，只能靠自身衰变来降低。从上表可以看出，一些高品位的核废料半衰期很长，对人类的威胁甚至可以持续几万年甚至几亿年。

因此，处理核废料有两个基本原则:

减少迁移和扩散

确保长期稳定

对于中低品位核废料，它们占全部核废料的99%，半衰期一般几十年，所以危害相对较低。以广东贝隆中低水平放射性废物处置场为例，首先要建造一个能够隔离辐射的混凝土结构。

来源:百度

然后，将核废料压缩或固化，放入特定的金属桶或混凝土容器中。

反应堆顶盖废弃包装来源:百度

辐射屏蔽金属核废料桶来源:百度

然后将密封的容器移入已建成的混凝土结构中。有时，根据情况的需要，容器将被放置在一个又一个处置单元中，然后在容器之间填充混凝土或沙子，以进一步隔离辐射并降低泄漏的风险。

抬入处置单位来源:百度

最后，要在处置单元上浇筑混凝土，设置可移动的防雨会计室，防止雨水渗透造成有害物质泄漏。

设置会计室来源:百度

对于高等级废物，它们通常来自反应堆中的乏燃料。不像低品位垃圾，我们不能挖更深的坑来掩埋。从乏燃料的产生到最终填埋，中间有一个复杂的过程，需要几年时间，但大致可以分为以下三个步骤:

冷却过程

乏燃料的比活度很高，还会释放大量衰变热。如果直接装入容器中，容器会熔化并泄漏。如果乏燃料聚集在一起，超过临界体积，就会发生连锁反应，后果不堪设想。

因此，必须存放一段时间，直到放射性和余热降低到一定程度后，才能进行操作和处理。根据贮存方式，乏燃料贮存有湿贮存(池贮存)和干贮存。

用水或空气体缓慢带走乏燃料产生的热量，冷却过程一般不少于3-5年。降低乏燃料冷却后的放射性，可以缓解乏燃料后处理过程中的技术难度。

不锈钢结构乏燃料池的贮存

来源:百度百科

再处理

乏燃料后处理的目的是分离出各种有用的核素进行循环利用，去除长寿命和不稳定的核素，这样就只能填埋含有相对短寿命核素的放射性核废料。

目前，最常用的方法是溶剂萃取法，也称为Prex法。这项技术自20世纪70年代以来已在多个国家使用，现在被认为是一项相对安全的技术。

乏燃料在酸中溶解后，通过调节酸和铀的浓度，在多级逆流提取设备中分离铀、钚和其他裂变产物，从而回收有用的核素。

Prox流程来源:百度百科

经过后处理后，放射性元素的回收率可高达98.5%~99%，既降低了核废料污染的可能性，又提高了自然资源的利用率。

%表示铀-235在铀中的百分比。

但是，核废料后处理并不能提取所有核素，其中很多会残留在核废料中。此外，后处理过程本身也会产生大量低品位核废料。

经过以上步骤，我们暂时无法带走剩余的顽固分子，只能打包，深埋地下。在贮存过程中，还涉及到一些工序，以进一步保证核废料不会迁移到周围环境中，如核废料的玻璃化。

资料来源:胡志

简单来说，这种方法就是把辐射蒸干，然后放进一个装满碎玻璃的加热炉里。作为一种无定形物质，玻璃广泛包含不同的元素，具有良好的耐久性。核废料中的大部分元素可以进入玻璃结构，在原子尺度上固化。这种经过处理的玻璃核废料混合物超级防水。

最终处理

经过层层工序，为了保证它们长期与人类和环境隔离，将这些废弃物储存在人工建造在稳定地质结构中的地下储存库，是一种可行的方案。这是乏燃料的最终处置方法，也称为深部地质处置。

芬兰在建核废料永久处置库来源:百度

这种处理方法的基本理念是找到一个地质结构稳定的广阔场地，通过挖掘技术将其挖掘到地下300多米的地方，存放高放废物。目的是将其与人类环境永久隔离。但这对当地的地质要求非常严格，要求物理环境特别稳定，能长期防水空气，能承受地震、火山、爆炸的冲击。科学家实验证明，花岗岩层、岩盐层和粘土层可以有效保证核废料容器在数百年内不会损坏。但是几百年后，这些储藏地点是否会遭到破坏，是无法预料的。

中国核废料处置库“北山一号”来源:格南工业

边肖说了这么多，奥特曼也有话要说:

来源:迪迦奥特曼

参考资料:

[1]国际核事件分类表百度

[2]核电站百度

[3]沸水反应堆维基百科

[4]放射性中国辐射防护学会

[5]百度乏燃料百科

[6]放射性废物维基百科，免费百科全书

[7]核再处理维基百科，免费的百科全书

[8]贝隆处置现场百度百科词条

[9]放射性废物的处理与处置

[10]核燃料后处理百度百科

[11] prax流程百度百科

[12]世界难题——如何处理核废料？几乎知道

编辑:小林绿子和布布胡

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