世界性难题——核电的核废料处置

一、核废料为什么比核燃料更危险？

核废料，主要指反应堆使用过后卸出的核燃料，因无法继续维持核反应，所以又叫核废料。核废料具有很高的放射性，且其放射性可以持续数十万乃至百万年之久，如何妥善处置核废料，是全世界至今未能解决的难题。

很多人已经听闻核废料很难处置，心中却存有疑问：“核燃料不就是从自然中来的吗？使用过后又放回到自然中，有什么不可以吗？”

事实上，核废料与原始核燃料的危害性完全不可同日而语。反应堆的核燃料是由铀矿石加工而成，在自然状态下，铀的放射性并不算高，短时间的接触几乎不会对人体造成放射性损伤，而使用过后核废料则具有高强度的放射性，几分钟的接触就可以导致死亡。

这是为什么？

天然的铀矿石具有放射性是因为铀原子能够自发地放射出粒子，经过漫长的时间转变成另一种元素，这一过程叫衰变，而全世界的商用反应堆都是通过核裂变发电的。核裂变则是在中子的高速撞击下，强行将一个重核分裂成两个较轻的原子核的过程。与天然的衰变相比，核裂变的反应更剧烈，释放出的能量更大、更多、更集中。

核裂变反应是链式反应，当用一个中子撞击铀原子核时，一个铀核将吸收中子而分裂成两个轻原子核，同时释放出2～3个新中子，这些新中子很可能打在2～3个新原子核上引起裂变，再释放出4～9个新中子，这些中子又会打在新的原子核上，从而使反应不断地进行下去。

从本质上讲，核电站的基本工作原理与原子弹是相同的，其主要区别有两点：一是原子弹要用富集度达到90%以上的铀235作为核材料，而核电站一般采用3%左右的铀235。二是原子弹的链式反应是不可控的，而核电站则可以通过控制棒等手段实现可控的链式裂变反应，使得每次产生的中子平均只有一个引起新的核裂变。

爱因斯坦的质能转换理论告诉我们，核裂变所释放的巨大能量来自原子核的质量亏损，原子核的质量发生了改变，意味着元素发生了改变。

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。

现在我们可以理解为什么核废料比核燃料更危险了。常见的铀元素经过核裂变的链式反应，不仅产生出上百种放射性物质，甚至还会变出自然界中不存在的高放射性元素。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。

二、世界难题

核废料难以处置，主要是因为它具有3个特点：

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。

如今，全世界运行的核电站都在不停地产生核废料，截止到2014年6月，全球的核电机组已产生约35万吨的核废料。这些核废料无处容身，大部分都被暂时安放在核电站的临时冷却池中。

迫在眉睫的问题是，世界各国许多临时存放核废料的冷却池都已经达到饱和甚至“超饱和”的状态。就我国的情况来说，2015年8月的新闻显示：“目前大亚湾核电厂核废料水池已经饱和，田湾核电厂核废料水池接近饱和。”我们必须处置这些核废料，不论我们愿意不愿意。

核废料的处置被称为世界难题，实在是毫不夸张的，它的高放射性不能通过任何物理或化学手段来消除，就目前的科技水平来说，我们只能静待其放射性随着自然的衰变而减弱。也就是说，人类束手无策！

既然不能消除核废料的高放射性，难道还不能摆脱它吗？

关于如何摆脱核废料，使它无法危害到人类，曾经有过很多设想：

（1）沉入深海。人类总是将各种污水、废物排放到海洋中，起初人们也曾把核废料直接沉入到深海中，然而最终发现，即使广大如海洋，也不能把核废料的高放射性稀释到可以接受的程度：海洋中的生物物种和生命数量都远远多于陆地，破坏海洋生态的严重后果是我们无法想象的。同时，海洋也是人类食物的重要来源，所有遭受到核辐射的鱼类、贝类，最终都将通过食物链进入人类身体。

（2）送入太空。送入太空是摆脱核废料最快速、最彻底的手段，问题是将数十万吨核废料送入太空，花费太过巨大，而且，以我们目前的技术，远远无法保证百分之百发射成功。想象下，满载核废料的火箭一旦在发射中起火，或者在大气层中爆炸——人类相当于又经历了一次切尔诺贝利事故。

（3）投入火山。将危险的核废料一股脑丢进火山，听起来是个不错的主意。2010年2月，美国《大众科学》杂志曾讨论过将高放射性废物投入火山的可能性，美国火山地理学家指出，要想销毁核废料，火山需要满足严格的热度标准，而这一标准几乎无法实现。世界上最热的火山岩浆温度大约为1300摄氏度，这一温度甚至无法熔解掉包覆在燃料棒中的锆（锆的熔点为1850摄氏度），更不用说核废料本身。要想熔解掉核废料并改变其放射性，所需要的温度要比岩浆高几万倍。而且，由于火山里的液态岩浆会向上涌动，丢入火山的核废料很可能无法沉入深处。更可怕的是，被用作核废料储藏所的火山一旦爆发，就会喷出极具放射性的岩浆，整座火山的山坡都会变成核污染后的不毛之地，具有放射性的火山灰随后会绕地球循环多次。