核废料处理综述

核废料处理方法的综述一、核废料定义核废料[1]（nuclearwastematerial）,是指在核燃料生产、加工或核反应堆用过的，含有α、β和γ辐射的不稳定元素，并伴随有热产生的无用材料。核废料含有一定放射性，可以对生物体细胞的分裂和生长造成影响，甚至杀死细胞。核废物进入环境后，可以通过呼吸、饮食、皮肤接触等途径进入人体,当放射性辐射超过一定程度时，便可以损害机体的健康。研究表明，长年受放射性污染的人，癌症、白内障、失明、生长迟缓、生育力降低等病症的发病率要远远高于常人。另外，如果母亲在怀孕初期腹部受过x光照射,她们生下的孩子可能出现胎儿畸形、流产、死产等遗传效应，而且与母亲不受x光照射的孩子相比,死于白血病的概率要大50%。因此，核废料具有极大的危害。二、核废料的分类核废料按物理状态可以分为固体、液体和气体三种；按比活度又可分为高水平（高放）、中水平（中放）和低水平（低放）三种。高放废料是指从核电站反应堆芯中换下来的燃烧后的核燃料[2]。中放和低放主要指核电站在发电过程中产生的具有放射性的废液、废物，占到了所有核废料的99％。按半衰期不同，将放射性核素分为长寿命（或长半衰期）放射性核素、中等寿命（或中等半衰期）放射性核素和短寿命（或短半衰期）放射性核素。三、核废料的特征[3]1.放射性。核废料的放射性不能用任何的物理、化学和生物等人工方法消除，只能靠自身的衰变而减少，而其半衰期往往长达数千年、数万年甚至几十万年。也就是说，在几十万年后!这些核废料还能伤害人类和环境。2.射线危害。核废料放出的射线通过物质时，发生电离和激发作用，对生物体会引起辐射损伤。而且在这些射线当中，有相当一部分具有极强的穿透力，甚至能穿过几十厘米厚的混凝土。3.热能释放。核废料中放射性核素通过衰变放出能量，当放射性核素含量较高时，释放的热能会导致核废料的温度不断上升，甚至使溶液自行沸腾，固体自行熔融，比如福岛核电站的堆芯就是这样熔毁的。四、核废料的管理原则[4]1.尽量减少不必要的废料产生并开展回收利用。2.对已产生的核废料分类收集,分别贮存和处理。3.尽量减少容积以节约运输、贮存和处理的费用。4.向环境稀释排放时,必须严格遵守有关法规。5.以稳定的固化体形式贮存,以减少放射性核素迁移扩散。五、核废料处理技术的介绍（一）地质处理1.近地表埋藏处置法[5]近地表埋藏处置法是中低放废物处置的主要方法,占处置法80%左右。它分为近地表简易处置法、近地表工程处置法两种,其中近地表工程处置法居主导地位。1.1近地表简易处置法近地表简易法是在地表挖掘数米深的沟、坑,将盛装废物的容器、无容器废物固化体堆置其中,或将废物直接固化其中,然后再用粘土或土回填夯实。此法只在低渗透性的粘土层或降水量非常少的地区效果较好,否则会严重影响处置效果,导致放射性废物泄漏。这种处置方法对场址选择要求较高,所以,只有美国、墨西哥、英国、瑞典、南非、巴基斯坦、印度、伊朗、日本等少数国家采用,一般是在核废物处置的早期阶段采用的较多。但有部分已停止运行或关闭。这样近地表简易处置法在世界各国的使用越来越少,这也是世界各国更加重视核废物处置安全性的最好证据。1.2近地表工程处置法近地表工程处置法是在地表挖取几米至数十米深的壕沟,大部分深度在10m以内,高于地下水位,用混凝土或钢筋混凝土加固壕沟的基底、侧墙。为防降水或渗透水,构建了排水及监测系统。然后将封装放射性废物容器堆置其中,最后用土、粘土、沥青、混凝土等充填物覆盖封顶。另外,一些深度不超过50m的竖井和大口径钻孔等处置设施也属于近地表工程处置法。此类设施可建在粘土、冰川沉积物、风化页岩、风化凝灰岩、砾石、砂、粉砂等地质体中。这种处置效果及安全性较好,被世界各国普遍采用。目前,世界上正在运行的、建设中的以及计划造建的废物处置库绝大多数为近地表工程处置设施,但在欧美及前苏联国家有少量的此类设施已经停止运行或关闭。2.废矿井处置法废矿井处置法[2]是利用深度为60~100m的废弃矿井,经过改造,作放射性废物的处置场。作为处置场的废矿井,必须符合一定的地质条件,如矿井内必须干燥无水、围岩的类型及特性等。世界上只有瑞士、瑞典、捷克共和国、芬兰、挪威和克罗地亚等少数国家,采用或计划采用这种方法,例如,捷克共和国的理查德Ⅱ矿坑,位于地下70~80m,矿井很干燥,地质体主要为石灰岩和泥灰岩,主要用来处置研究工作中产生的放射性废物(大多数是短寿命的)。瑞典的SFR建于海底之下60m处的结晶岩中。针对不同的低放废物类型、放射性剂量、物质组成和不同的处理需要,设计了不同的岩石硐室;50m深的弹筒状矿坑,用水泥墙加固并增加了一个蒙脱石粘土缓冲带和一套通风系统之后,将放射性活度最强的废物容器置于其中。芬兰的Olk-iluoto与瑞典的SFR相似,具有两个弹筒状深矿坑,一个处置低放废物,另一个处置发热的中放废物,建于地下60~100m,用破碎的围岩作回填材料,用水泥填封含水裂隙带。将低、中放废物处置在地下废矿井中，是一种较安全的处置方法。可供处置低、中放废物的废矿井有：盐矿、铁矿、铀矿、石灰石矿等矿井。废矿井处置可以利用矿山原有的采矿巷道采空区堆置废物容器。废矿井处置法的优点是：①不占用大片土地；②可充分利用矿山原有的竖井、地下采空区等，处置成本较低；③处置空间大，据统计，按目前美国每年开采盐矿的数量，只要利用其中1%的采空矿山，便可供处置全美国当年产生的所有核废物；④处置深度较大，安全性较好。该法的局限性在于，废矿井一般离核设施较远，需长途运输废物，而低、中放废物数量多，一般宜于就地处置。2.1深岩硐地质处置法深岩硐地质处置法[5]是在地表之下深数百米的稳定岩层中建造处置核废物的设施,使放射性核素与生物圈长期隔离。此种处置方法既可以处置中低放废物,也可以处置高放废物。中低放废物处置的深度一般为300~500m,高放废物的处置深一般为500~1000m。采用深岩硐地质处置中低放废物效果好,最安全,但费用昂贵,只有少数国家采用。2.2地下盐穴处理核废料的方法利用盐穴进行放射性工业废料的填埋处理已经在国外得到很好的利用,具有安全性好、费用低、容量大、符合环保、节省地表面积等很多[6]。优点,随着我国核军事的发展和核能的开发利用,也不可避免的会产生相当的具放射性的工业废料,利用盐穴进行埋藏处理可以有效地减少放射性污染,保护生态环境。除了进行核废料的埋藏处理外,各类难处理的工业废料也都可以利用该项技术进行处理,利用盐穴进行工业废料的处理是一项具有广泛前景的实用技术,值得在我国进行推广。3.深度钻孔将核废料埋入地下正成为最受推崇的处理方式之一，深度钻孔这一解决方案仍处在计划阶段[2]。深度钻孔有其优势一面，可以在距离核反应堆很近的地区进行钻孔，缩短高放射性核废料在处理前的运输距离。然而，与将核废料送入太空面临的困难一样，钚回收也是一项挑战—将核废料埋入地下3英里（约合4.8公里）是一回事，安全回收则完全是另一回事。4.深海床处置高放废物的深海床处置，是选择底部沉积物为粘土的深海区，将高放废物容器置入深海（4000~6000m）底部粘土沉积物深处（20~30m），借海底未固结粘土和海水永久隔离核废物[2]。该方法与低、中放废物海洋投弃的区别是，后者是将废物容器投弃在海底沉积物表面，一般得不到海底沉积物屏障的保护。自开发研究以来，该方法是美国和欧洲一些临海国家计划将其作为今后处置高放废物的方法之一。1972年伦敦倾废公约明文规定，禁止向海洋投弃或向海底植入中、高放废物，但是世界上大部分国家仍希望在共同协商和保证安全的前提下，有控制地将高放废物处置于海底沉积物中。因此国际上对该处置方法尚有争议。5.冰冻处理[2]核废料温度很高。将核废料球放入较为稳定的冰原，它们会随着周围冰的融化向下移动，之上的融冰则又再次凝固。这一想法遭到拒绝的原因很多，其中一个原因便是冰原会发生移动，导致放射性物质会像冰山一样在海洋中漂浮。6.使用液压笼[2]如果在核废料周围建造一个类似三维壕沟的水笼，地下水便被赋予一条替代路径，不会渗入放射性物质。未来的核废料处理装置应该可以做到防泄漏，而液压笼的作用则是防止地下水污染这一最严重的情况发生。7.送入太空实际上，这一方案最早是由原苏联科学院院士卡比察于1959年提出的[2]。30年后，美国著名物理学家施勒津热尔也独立提出了类似主张。但由于受当时国际形势和技术条件的限制，各国对核废料的处理基本上都流于应付。实际资料显示，运载火箭的发射事故率通常在2%左右，为了解决由此而引发的核灾难，专家们在设计建造密封容器方面颇费了一番精力，并决定用高强度的钛钢制作外壳。表面再敷以多层隔热材料。但有些技术问题还没有解决。（二）固化固化主要是用来改善和后续处理相关的安全性，一般是用适当的材料把放射性核废物包裹起来，防止放射性元素的泄漏。目前，水泥和混凝土作为固化介质应用比较广泛，此外，也有人把沥青和有机聚合物用于固化处理。相应的，放射性核废物的处理方法也可以分为水泥固化、混凝土固化、沥青固化、有机聚合物固化等[7、8、9]。放射废物的固化处理包括水泥固化、沥青固化、塑料固化以及人造岩石固化等,它们的主要优缺点比较见下表[7]：1.水泥固化水泥固化是放射性废物处理的一种常用的方法,它为放射性废物以安全稳定的固体状态封存提供了一种经济有效的办法[10]。水泥固化处理的优点包括:①处理过程简单,低温;②加工技术良好;③固化产品的热稳定性(不易燃烧)、化学稳定性和生物化学稳定性良好;④固化形式是可将放射性废物包容在固化体中,也可通过浇注水泥将其封存起来。核电站水泥固化处理的放射性废物包括:蒸残液、泥浆、废树脂及用水泥固定的废过滤器芯等。2.玻璃固化技术韩国开发出一种可将核电厂产生的废物体积最多减少80%的压缩技术，并将在世界上首次实现商用化[11]。玻璃固化技术是指将放射性废物和熔融状态的玻璃混合后高温加热、缩小体积而制造出稳定的玻璃固体的技术。被玻璃化的放射性物质在极度恶劣的环境中也不会出现泄漏，因此，该技术可降低放射性泄漏危险。辐射安全组组长朴渊善透露：“如果使用玻璃固化技术，可将目前平均每个核电厂产生的150桶（1桶为200L）中、低放废物减少到35桶。”3.沥青固化沥青固化是使放射性废物均匀地包裹在沥青中，得到抗浸出性好的固化产品[1]。沥青固化适用于固化化学泥浆、蒸发残液等低、中放废物。沥青固化的废物包容量高，固化产品均匀，核素浸出率低。沥青固化工艺有多种，主要有两种：螺杆挤压法和薄膜蒸发法。由于沥青是可燃性有机物，不能承受较高温度和较强辐射，所以沥青固化不适于固化释放热率高和辐射强的废物，不适宜固化氧化剂含量高的废物。4.塑料固化塑料固化是把放射性废物均匀包容在热塑性或热固性塑料物质中[1]。热塑性塑料固化工艺类似于沥青固化，需要加热熔融。热固性塑料固化工艺类似于水泥固化。废液含水量有限制，需要预处理脱水，或者加入乳化剂搅拌乳化。已经开发的塑料固化工艺比较多，主要有一下几种：聚乙烯固化、聚氯乙烯固化、聚苯乙烯固化、聚酯固化、环氧树脂固化和聚合物浸渍混凝土等。塑料固化包容量高，核素浸出率低，这对实现长期安全隔离有重要意义，但塑料固化成本较高。5.人造岩石固化核废料处理法[12]使核废料中包含放射性元素的原子进入矿相的晶格位置,或者镶嵌于晶格的孔隙之中,与基质矿物形成均匀的固溶体。这种方法主要包括基料和核废液混合、锻烧、冷压、热压、退火、装桶等步骤。（三）后处理后处理主要是把乏燃料经过酸溶解后分解出铀等裂变产物，这是一个特殊的化学分离过程、经过后处理后，可以把核废物中的裂变元素分离出来进入再循环，这个技术在20世纪70年代起就在若干个国家运行，目前已经是公认的比较安全的技术经过后处理后，放射性元素的回收比例可以高达98.5%~99%。这不仅可以减少核废物处理的压力，减小核废物污染的可能性，也可以提高天然资源的利用率，符合可持续发展的要求。目前最常用的核废物后处理方法是用水溶法萃取，又称普雷克斯法[7]。需要注意的是，核废物后处理并不能完全取代其它核废物处理方法。这是