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从切尔诺贝利到核废料处置

2019-6-11 07:19| 发布者: | 查看: 14| 评论: 0

摘要:   随着美剧《切尔诺贝利》在全球爆火,核电站又一次走进了人们的视野。  目前社会,人们普遍谈核色变,对有放射性的物质都是避而远之,特别是核电站、核武器。但是在我们生活的周围,放射性却不仅仅来自核武器、 ...

  随着美剧《切尔诺贝利》在全球爆火,核电站又一次走进了人们的视野。

  目前社会,人们普遍谈核色变,对有放射性的物质都是避而远之,特别是核电站、核武器。但是在我们生活的周围,放射性却不仅仅来自核武器、核电站,其实它们对我们的日常生活影响非常小。我们应该更加关心的是核废料的处理问题——来自核电站、研究所、医院等废弃放射源的处理问题,这些才是我们经常忽略但是又极其恐怖的放射性物质。

  今天小编带领大家认识一下核废料及其处理方法。

  定义及分类

  核废料(nuclear waste material)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。

  核废料按物理状态可以分为固体、液体和气体 3 种;核废料按放射性活度及危害大小,分为高、中、低三种。我国对放射性固体废物实行分类处置,即中低放固体废物实行区域近地表处置,而高放固体废物与α放射性固体废物实行集中的深层地质处置。根据世界核学会的数据,核废料中 97% 是中低放废物,只有3% 是高放废物。

  核废料处理形式

  高放射性核废料主要包括核燃料在发电后产生的乏燃料及其处理物。

  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、废水废液和手套等用品。

  中低放射性核废料危害较低;高放射性核废料则含有多种对人体危害极大的高放射性元素,例如只需 10 毫克钚就能致人毙命,因此各种核废料处置方法是不一样的。

  中国对中低放射性核废料的处理,按国家标准和国际原子能机构的要求处理,不论是固体核废料还是液体核废料,都要进行固化处理,然后装在 200 升的不锈钢桶里,放在浅地层的处置库里。

  国际上对高放射核废料有两种处理方式,一种是直接把乏燃料当核废料,经过处理装在大罐子里直接埋到很深的地层下,像美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚等幅员辽阔的国家目前都是这样做的。还有一种是将装有核废料的金属罐投入选定海域 4000 米以下的海底。中国对高放射废物的处理方式是,先把乏燃料送到处置场进行玻璃固化,之后再放到至少 500 米深的地层内埋掉。

  将核废料埋在永久性处置库是目前国际公认为最安全的核废料处置方式。不过,在西方社会,由于环保人士的强烈反对,政府要找到一个不被反对的核废料永久存放地不是一件容易的事,因此更倾向在中低放射性核废料库中暂时存放,同时期待有更安全、更能被接受的处理技术和方案出现,再作最终处理。为了保证核废料得到安全处理,各国在投放时要接受国际监督。


每个核电站的核废料临时存放库可存放电站运行 10 年产生的核废料

  世界各国核废料处理概况

  美国是世界最大的核废料产生国,上百个核电站每年产生约 2000 吨核废料,其中高放射性的乏燃料分布在 39 个州的 131 个暂存地点。位于内华达州拉斯维加斯西北 150 千米的尤卡山,将会成为美国第一个核废料处置场,该工程于 1983 年启动,规划于 2020 年左右开始运行,2133 年关闭退役。可贮存 109300 吨高放废料。迄今为止,美国能源部已经花费了约 60 亿美元来开发尤卡山核废料处置场,包括建造了一条 8000 米长、穿越整个山区的 U 形隧道(其中有些部分在地面下近 300 米深)。

  美国能源部计划在尤卡山再花至少 500 亿美元,用来建造几十条支隧道,把核废料封装在形如运油车油箱的钢制容器内送进地下储存隧道,在经过 100 年运营,储存满大约 10 万吨核废料后,将隧道永远封闭。2010 年 3 月 3 日,能源部正式向核管会提交申请,撤销其于 2008 年 6 月提交的尤卡山处置库建造许可证申请书。这意味着美国唯一的高放废物地质处置项目已经正式终止。

  尤卡山核废料处置场

  在德国,科技人员认定,下萨克森州的戈尔雷本、康拉德等地可作为核废料终存库。其地理状况十分理想,人口密度小,雨水少、蒸发量大,地壳较稳定,几百米地下有一个大盐层,可保证核废料库干燥环境。1995 年开始存放第一批核废料,以后相继存放过 7 批。

  德国专家认为,到 2030 年德国还需建立一个核废料和 30 万立方米中低辐射核废料终存库,以存放预计产生的 2.4 万立方米高辐射核废料和 30 万立方米中低辐射核废料。目前德国多采用玻璃固化并装入金属容器后深埋的方法。高辐射核废料与玻璃熔化固化成半透明圆柱体,放入钢制容器中。中低辐射核废料在高湿炉中焚烧,把灰烬与水泥浇灌在桶状容器内。所有核废料最后用混凝土覆盖埋入地下。

  加拿大目前的 190 万包核废料临时存放在 22 座核电站,采用混凝土罐包裹的方式。这些核废料的放射性将维持 1 万年以上。加拿大原子能公司、安大略电力公司以及其他有关公司自 1978 年以来在如何存放核废料上已经投入了 8 亿加元,原来的研究将重点放在如何将核废料安全存放在花岗岩中。

  较早期的研究结果表明,“加拿大盾牌”的花岗岩是唯一能够满足数千年安全存放放射性核废料的稳定岩石构造。加拿大政府环境部门也认为该方案是最安全的。

  日本目前共有 53 个用于发电的核反应堆,供应全日本三分之一的电力,每年核反应堆产生的乏燃料约为 900 吨。日本的中低放射核废料主要存储在茨城县东海村和福井县的设施内。数十年来累计的核废物储存罐已经超过 30 万个,每个容量约 200 升。并且每年新增近 1 万个核废料储存罐。为此日本政府每年要投入约 570 亿日元(约 6 亿美元)。

  1993 年开始建设的青森县六所村核废料再处理工厂是专门负责对从日本全国核电站收集而来的乏燃料进行钚、铀等提取作业后,将所剩高放射性废液进行玻璃固化的专门工厂。该厂原计划 2008 年正式启用,但因接二连三地发生技术性故障而至今无法正常运行。

  法国有 59 个核电机组,核电占总发电量的 77%。预计到 2040 年将有 5.0×103 m3的高放废物玻璃固化体和 8.3×104 m3的超铀废物需要处置。法国国家放射性废物处置机构负责高放废物处置工作。采用深部地质处置技术路线,选择的围岩为黏土岩。选址工作始于 20 世纪 80 年代,至目前已经确定 Meuse/HauteMarne 场址(黏土岩),并于 2004 年建成了地下实验室。

  法国于 2010 年启动了地质处置库计划,即 Cigeo 地质处置工业中心计划。经过 2013 年的公开论证之后,ANDRA 于 2015 年提交处置库建库申请,预计 2019 年获得处置库建造许可,2025 年建成处置库。

  芬兰从 1978 开始高放废物地质处置研究,2015 年 11 月 12 日,芬兰政府向波西瓦公司(Posiva)发放建设许可证,允许该公司在奥尔基洛托附近的埃乌拉约基(Eurajoki)建设乏燃料最终处置库。这是全球迄今发放的首份乏燃料最终处置库建设许可证。这座处置库在 2016 年下半年启动建设,2023 年投运,能够容纳 6500 吨铀乏燃料。该处置库将于 2120 年被回填密封。

  中国核废料处置库现状

  目前,中国已建有两座中低放射核废料处置库,并准备再建两座,但还没有一座高放射处置库。已建成的两座中低放射核废料处置库,分别位于甘肃玉门和广东大亚湾附近的北龙。

  甘肃玉门西北处置场位于原核工业 404 厂厂区内,该厂为我国最早的核工业基地之一。广东北龙处置场始建于 1998 年,于 2000 年建成,位于大鹏半岛排牙山东侧的一条低缓的小山梁上,距大亚湾核电站 5 千米,距岭澳核电站 4 千米。占地近 21 公顷,设计总处置容量为 8 万立方米,工程造价约 8000 万元。主要接收和处置广东省核电站产生的低中水平的放射性固体废物。

  这两个中低放处置场,占地 20〜50 万立方米不等,附近还要设置几十平方千米的安全屏障。西北处置厂位于地表之下,距离地表有 10〜20 米;北龙处置场建于地表之上,形成一个方盒子样子的封闭处。这个封闭处土埋之后形成山包,上面进行了绿化。一个中低放处置场,一般需要与外界 300〜500 年的隔离期。

  据测算,现在建造一个中低放处置场,大约需要 2 亿元的资金。按照规划,除了已建好的华南、西北两处,还将在华东和西南建设两座区域性中低放废物处置库。

  2005 年上半年,国防科工委专门开了一个处置高放射物质研讨会,最后确定:中国将建设一座永久性高放射物质处置库,容量要能储存 100 至 200 年间全中国产生的核废料,在满了之后就永久地封掉。即至少 100 年之后,大陆才会出现第二座永久性高放物处置库。

  根据中国核电发展规划,我国大约会在 2015 年至 2020 年左右,确定永久性高放射核废料处置库的库址。目前全国库址勘查共有六大片,即华东、华南、西南、内蒙、新疆、甘肃。

  西北地区甘肃敦煌北山的条件非常优越,这里位于敦煌莫高窟东南约 25 千米,是一片与海南省面积相当的戈壁滩,人烟非常稀少,整个地区人口不到 1.2 万人,可以说除了沙砾和枯黄的骆驼草以外,寂寞得连回声都没有。

  北山经济发展较为落后,周围没有什么矿产资源,建设核废料库对经济发展影响较小。这里气候条件也很理想,全年降雨量只有 70 毫米。库址所在地有着完整的花岗岩体,而花岗岩是对付辐射的最好的“防护服”。国际原子能机构的专家们在北山进行考察之后称,北山是世界上最理想的核废料库址之一。

  2011 年甘肃北山预选区被确定为我国高放废物地质处置库首选预选区,建立了系统的选址和场址评价方法技术体系,确定了内蒙古高庙子膨润土为我国高放废物处置库的首选缓冲回填材料,建立了我国首台缓冲回填材料热-水-力-化学耦合条件下特性研究大型实验台架(China-Mock-Up),获得了一批关键放射性核素的迁移行为数据,开展了初步的安全评价等。

  我国的高放射性核废料处置库计划在 2030-2040 年建成,根据中国核电未来规模,中国高放射性核废料处置库将耗资数百亿人民币,容量足以容纳中国核工业未来 100-200 年产生的所有高放射性核废料。我国的处置库将把核废料永远地禁锢在地下深处。


2014 年 7 月 18 日,甘肃北山场址评价钻孔开工

  参考文献 

  [1]翟江龙. 核废料处置的法律制度研究.南昌大学,2018.

  [2]佚名.地球安全罩——核废料处置库.城市与减灾,2015(01):46-50.

  [3]郑金栋.浅谈核废料处置库围岩.河南科技,2013(15):64.

  [4]董璞玉. 核废料处置窘境待破. 解放军报,2011-12-06(004).

  [6]唐黎标.世界各国如何处置核废料.民防苑,2008(04):19-20.

  [7]屈伟平.核废料处置,关系人类安全.安全,2008(02):24-26.

  [8]卢应发. 核废料处置形式及理论分析,2006:6.

  [9]吴伟成,核废料处置库选址过程中自然灾害风险性评价.华东地质学院学报,1995:260-265.

  [10]王驹.世界高放废物地质处置发展透析.中国核工业,2015(12):36-39.

  美编:张   岳

  校对:张   崧


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