互动科普

核废料回收

撰文  弗兰克·N·冯·希佩尔（Frank N. von Hippel）

翻译  王昊明

在美国，最后一座核电站并网发电已是12年前的事，但如今核电又开始复兴。理由很充分：天然气与石油价格飞涨；燃烧化石燃料排放的温室气体使公众反对情绪日益高涨；美国联邦政府也划拨80亿美元补贴及保险费，延长核电工业的运行许可证（因为新法律要求提高核电效率），并保证将提供185亿美元的贷款。如今的核电工业可谓万事俱备，还缺些什么呢？

也许只缺一样东西：保存核废料的地点。事实上，缺少处理核废料的地点，已经使整个核电产业的头顶笼罩着乌云。美国政府计划在内华达州的尤卡山建立一座核废料掩埋贮藏点。但这项工程如今已经跳票，而且一跳就是近20年（目前预计最早于2017年投入使用）。目前，美国境内的核电站依靠冷却池储存核废料，这种方法已经接近容量极限。

大多数核设施开始在干燥的地点使用巨大的桶状容器储存核废料。每个桶的造价约为100万美元，大约能够储存10吨核废料。一台装机容量为1,000兆瓦的反应堆每年产生的核废料能够填满两个这样的大桶。但是美国核电工业界并不满意。他们向美国联邦政府提出补助要求，因为如果美国能源部能够如原计划，在1998年将尤卡山的贮藏点投入使用，核电工业界就不必投入这么多资金来建造贮藏桶。结果，美国政府只好每年额外花费3亿美元，为这些桶及其相关基础设施埋单。

在这些核废料的压力下，美国能源部重新考虑了一项在20世纪70年代被抛弃的想法：对核废料进行“再处理”（reprocess），用化学方法将不同元素分离开，回收其中能够再利用的部分。在英国和法国，大型再处理工厂已经运行了十多年；日本斥资200亿美元建造的再处理设备也在2006年投入使用。因此这种方法并非没有先例。但正如我要说明的那样，核废料再处理是一条既昂贵又危险的道路。

来自地狱的元素

要想理解反对核废料再处理的原因，必须对核废料循环有根本的了解，而且还要有一点常识。反应堆产生热量，使蒸汽带动涡轮发电机转动，从而产生电能。为了持续产生热量，需要维持原子裂变的链式反应。大多数情况下，核燃料是铀。能够维持链式反应的同位素是铀235，浓缩后质量分数（即某成份的质量与总质量之比）约为4%～5%，其余的都是铀238。铀235质量分数太低，因此即使失窃，也无法用于制造非法核武器。

在反应堆中，一些铀238吸收中子之后，转变为钚239。如果将它们提取出来，并进行适当处理，这种元素也可以作为链式反应的原料而部分“燃烧”。不过这种方法有许多缺点：提取和处理过程的耗费抵不上回收燃料的价值；用回收钚的方法来减少核废料，作用极其有限。最重要的是，如果钚落入恐怖分子手中，就能够轻易制成核弹。因此，在核废料变成再处理核燃料之前，为了保障它们的安全，又要花费更多的金钱和精力。

回顾一些国家核废料再处理项目的历史，就可以明显看出这些缺点。法国是全世界再处理技术的领导者。在那里，被分离出来的钚与氧结合成二氧化钚，再与铀238的氧化物混合，形成一种混合氧化物燃料（简称为MOX燃料）。这种燃料被重新用于发电之后，仍然有70％左右的钚未被利用。不过，这种废料中包含一些在反应堆中形成的放射性裂变产物，这些新成分使钚既难以用于发电，也难以制成核弹。这些使用过的MOX燃料会被送回再处理工厂，进行无限期储存。因此实际上，法国是通过再处理设备，将核废料问题从反应堆移到了再处理工厂。

日本遵循了法国的技术路线。英国和俄罗斯只是将分离出来的民用钚简单储存起来。截至2005年末，储存的钚大约有120吨，足够制造15,000颗原子弹。

直到最近，法国、俄罗斯和英国才真正利用这种技术创造了收益——他们帮助其他国家进行核废料再处理，其中包括德国和日本。这些国家的反核能激进分子要求，政府必须让公民知道国家有适当处理核废料的方法，否则就必须关闭所有的核反应堆。这些国家的政府发现，将核废料送到国外进行再处理，是一种十分方便的方法——至少暂时如此。

因为有这些合同在手，法国和英国政府会为再处理工厂拨款。然而，这些合同特别指出，分离出的钚和高放射性核废料都会被送回原国家。俄罗斯最近也采取了一种类似的政策。因此，将核废料送来的国家，最终仍须选定储存核废料的地点。各国政府花了不少时间才弄明白了这一点。现在，几乎所有曾经购买过核废料再处理服务的国家，都选择将核废料直接储存，因为这样能够省下一大笔再处理费用（大约每吨100万美元，是贮藏桶造价的10倍）。

法国、俄罗斯和英国事实上已经失去了所有的外国客户。因此，英国计划在几年内关闭该国的再处理工厂，而拆除工厂需要920亿美元。2000年，法国考虑在2010年关闭再处理工厂，并宣称这么做有助于降低核电成本。这个决定也许会导致一场关于核废料的激烈讨论。这正是法国的核能机关希望看到的，因为在法国几乎没有人关注核问题。

日本的再处理工业则陷入了政治困境：该国核电工业界得不到许可，无法扩大核废料就地储存的规模。俄罗斯如今只有一座再处理工厂，每年处理的核废料仅占全国反应堆产生废料的15％。前苏联曾经试图提高再处理能力，但是在前苏联解体之后，这些计划也随即被抛弃。

冷战期间，美国也在华盛顿州和南加利福尼亚州建立了再处理工厂，目的是回收钚用来制造核武器。这些工厂共分离出大约100吨钚，但美国对钚的总需求量还不到总产量的一半。为了处理多余的钚，美国能源部必须花费超过150亿美元。过去在再处理工厂工作的工人，现在的主要工作变成了拆除这些工厂，预计花费将超过1,000亿美元。

除了军用工厂以外，纽约北部还有一座小型商业化再处理工厂，曾在1966年至1972年间运转。在它破产之前，曾经分离出1.5吨的钚。如今它也成了清理对象，这项计划会花费纳税人50亿美元。

既然再处理过程牵涉这么多问题，为什么再处理仍在进行？部分原因在于，首批民用核电站建成数年后，美国原子能委员会（U.S. Atomic Energy Commission，缩写为AEC）曾将核废料再处理作为未来核工业的根本措施，在美国国内及全世界广泛推广——当时人们担心铀矿会耗尽（如今这种担心已经减弱了）。

不过在那个时候，对钚安全风险的认识还仅仅停留在理论上。当风险变成现实之后，情况就不同了。1974年，美国帮助印度发展再处理能力，印度却将第一批分离出来的钚用于制造核武器。当时，美国已故核武器设计师希欧多尔·B·泰勒（Theodore B. Taylor）向全世界发出警告：核废料再处理每年能够分离回收上千吨钚，恐怖分子可以从中窃取原材料，足够制造一颗或者多颗核弹。

分离出的钚仅有微弱的放射性，因此这种物质不难处理。而核废料中混有裂变产物，会发射出致命的伽马射线，必须装在数十吨重的桶中。回收其中的钚也需借助复杂的遥控设备。因此核废料中未被分离的钚风险更小。

在印度制造核武器之后，美国福特政府（及其后的卡特政府）重新考虑了原子能委员会的立场，并总结道：核废料再处理既不必要也不经济。因此，美国政府抛弃了从民用反应堆回收核废料的计划，同时也催促法国和德国取消向巴基斯坦、韩国、巴西出口再处理技术的合同。

里根政府没有延续福特和卡特政府关于核废料再处理的反对立场，不过美国核工业界已经对此失去了兴趣。这届政府同样得出结论：与现有的“一次循环”核燃烧相比，对核废料进行再处理回收利用钚的做法并不划算。至少在美国，再处理方法走到了尽头。

再处理起死回生？

最近，布什政府重提核废料再处理的想法，并将再处理作为部署新一代核反应堆计划的一部分。根据这种想法，在新的反应堆中，超铀元素（transuranic，钚及其他从传统反应燃料中提取的类似重元素原子）应该被多次回收利用，以便通过裂变反应将它们转化为轻元素，大部分超铀元素都有较短的半衰期。这样一来，需要被长期储存的核废料数量就会下降（参见《环球科学》2006年第1期《巧用核废料》一文）。一些科学家借用了J·罗伯特·奥本海默（J. Robert Oppenheimer）曾经用于描述氢弹的词句，将这一新计划看作“可爱的技术”。但是，这种方法果真明智吗？

建议以这种途径回收核废料的方法并不新鲜。早在20世纪90年代中期，美国能源部就要求美国国家科学院（NAS）对这种减少长寿命放射性废料的方法进行评估。这份评估报告——《核废料分离与转化工艺》得出的结论十分消极。美国国家科学院的评估专家认为，如果要回收超铀元素，那么第一批大约62,000吨的核废料（相当于尤卡山的储量）至少需要花费500亿美元，而且该数字很可能会轻易超过1,000亿美元。换句话说，这相当于每个美国人均摊500美元。如果要处理全国所有核电站现在及将来产生的核废料，这一数字还要加倍。

为什么这么贵？因为传统反应堆无法继续使用回收燃料。那些反应堆不仅用水进行冷却，还用水来降低中子的速度。慢中子才会引起铀235的裂变，从而维持反应堆的链式反应。将回收的燃料用于这种反应堆，会积累产生更重的超铀元素（如钚242、镅、锔）。新计划中的解决方案是，建造完全不同的核反应堆，其中中子并不显著减速，因此有机会打破这些难以反应的超重原子的外壳。

在20世纪六七十年代，包括美国在内的发达国家投入了相当于今天500亿美元的资金，用于“快中子反应堆”（fast-neutron reactor）的商业化研究。这种反应堆并不用水，而用熔融的金属钠作导热材料。这种设备又被称作为“增殖反应堆”（breeder reactor），因为它们生成的钚大于消耗的钚，因此在利用铀的能量方面，这种反应堆效率更高。设计者曾经期望，这种增殖反应堆会迅速取代传统的水冷反应堆。但是钠冷反应堆造价更高，而且管理不便，大多数国家放弃了将它们商业化的努力。

美国能源部计划开发与部署的新型反应堆，恰好是这种失败的增殖反应堆，但是它的核心并非增殖反应堆，而是纯钚燃烧炉。美国需要新建40～75座1,000兆瓦的新型反应堆，才能够分解全国104座传统核电站产生的超铀元素。如果一座钠冷反应堆的造价比相等容量的传统反应堆高出大约10亿至20亿美元，政府补助将至少达到400亿至1,500亿美元，此外还需要1,500亿至2,000亿美元用于建造和运行回收设施。考虑到美国的财政赤字，这样的计划似乎无法实现。

如果建成一座完整规模的再处理工厂（美国能源部计划于2020年建造一座这样的工厂），但并未建造钠冷却反应堆，那么所有分离出的超铀元素都要被无限期封存。这种难以置信的情况已经在英国出现。从20世纪60年代开始，英国的再处理工厂总共分离出80吨钚，如今要安全处理这些钚，则要花费数百亿美元。

对核废料进行再处理，并将分离的钚与放射性废料无限期储存在再处理工厂中，这绝非良策，而是灾难性的策略，因为分离出的钚更容易被偷走。1998年，英国皇家科学院的一份报告对该国储存越来越多的民用钚进行了评估。这份报告警告说：“储存钚的某些环节存在漏洞，可能让不法分子获取钚燃料，用于制造核武器，这样的风险必须认真对待。”2007年，英国皇家科学院的第二份报告重申：“维持现状，继续贮存这种极度危险的材料，并非长久之计。”

很明显，这些钚不应该被储存在再处理工厂之中，因为这样很容易失窃。事实上，目前核工业界达成的共识是，这些钚根本就不应该被分离出来。在长期贮藏室建成之前，核废料仍然可以保存在核电站之中。

这样的储藏是否安全？将一次循环系统产生的废料贮存在干燥的贮存桶中，对核电站现有风险的增加微乎其微。10吨有着20年历史的核废料置于干燥贮存桶中，能够产生10千瓦的放射性热量，通过加热空气产生对流的方式就可以自然耗散热量。恐怖分子如果想获得这些物质，就必须用反坦克武器或者直接用飞机来撞击贮存桶，才能刺破外壳。即使如此，大多数情况下，他们也只能得到少量放射性燃料的碎片。相对而言，如果邻近反应堆中的冷却剂供应被切断，燃料就会过热，在数分钟内释放大量汽化的放射性产物。如果水浸没了贮存池中的核废料，燃料棒的锆保护层会在数小时内被加热到着火点。如此看来，干燥的贮藏桶还是比较安全的方法。

有没有足够的空间来贮藏核废料呢？答案是肯定的，在美国的核电站中，有足够的地方来保存更多的贮存桶。即使是美国最早的反应堆，营业执照也能再延长20年，新的反应堆很可能会建在同一地点。因此，不必考虑这些贮藏点会很快消失。当然，最终还是必须将核废料取出并放置在别处。不过不需要感到恐怖，也没必要进行再处理，因为再处理会让情况变得更加危险，也更加昂贵。

内华达州的抵制

美国放射性废料的命运，取决于尤卡山的僵局如何解决。各方在这个问题上存在分歧。监管部门的要求极为苛刻：美国能源部必须证明这座山能够有效保护废料，确保100万年内不会发生显著泄露。

论证未来的安全性并不容易，不过即使贮藏桶设计存在缺陷，带来的风险也无法和政策失当相提并论。因为后者有可能让核原料更容易被非法获得。从这个角度考虑，10万年甚至100万年以后的放射性污染问题，却在现代引起了美国政界如此激烈的反对，甚至超过了即将到来的核武器危机，这件事情的确让人费解。

1987年，美国里根政府及国会在选择核废料贮存地点时，提前终止了对其他候选地点的客观评估程序，直接指定尤卡山作为未来的核废料贮藏地。内华达州认为此举有失公平，因此反对尤卡山核废料贮存计划。为了消除这种顾虑，有必要重新进行评估，选择其他的候选地点。这一点不难做到。事实上，1987年美国《核废料政策法案》（Nuclear Waste Policy Act）中明确要求，美国能源部部长必须在2010年向美国国会报告，是否需要兴建第二个核废料贮存设施。不过，考虑到美国能源部在处理放射性废料方面糟糕的记录，有必要为此专门成立一个更专业的非官方机构。

与此同时，核废料可以继续安全保存在反应堆的贮藏桶中。即使日后被存放于地质贮藏点中，核废料在至少一个世纪内仍然可以回收。因此，假如有一天，科学技术或者经济环境发生重大变化，使核废料再处理带来的利益超过它的花费及风险，这种方法依然可以被使用。不过现在，仅仅因为这种方法有可能减轻核电工业对环境的长期负担，就迫不及待地“拥抱”核废料再处理，而忽视它昂贵的价格和可能带来的灾难，绝非明智之举。