互动科普

核电站所产生的核废料会长期存在着辐射，其中所含的部分放射性元素可能会在长达十万年的时间里造成辐射污染。一个被称为“分离—嬗变”的新技术也许能部分缓解这一难题。《科学美国人》德文版邀请卡尔斯鲁厄工业大学的几位科学家，为我们介绍了这项新技术的应用前景。

撰文：约阿希姆·克内贝尔（Joachim Knebel） 康塞塔·法齐奥（Concetta Fazio） 沃纳·马谢克（Werner Maschek） 沃尔特·特鲁姆（Walter Tromm）

翻译：朱成 图片：弗吉尼亚联邦大学

利用核能发电不仅意味着可以大大降低碳排放，还可以让电能的产生不再依赖传统燃料。然而，核能的应用也会导致很多问题，除了核反应堆本身的安全问题之外，如何处理核反应堆所产生的放射性核废料是另一个关键问题。在燃烧过的核废料中，存在着大量在长时间内都可能具有高放射性的物质。这些物质的放射性要经过长达十万年的时间，才能降低到天然蕴藏的铀的辐射水平。

将核废料深埋在地层深处的岩石层中，可以有效把它们与生物圈隔绝开，从而使其在长时间内处于比较安全的状态。很多专家都认为，这样深埋的方法是目前所能实施的最佳方案。当然，它也受到很多其他新兴方法的挑战。这里就存在一种可能的替代方法：先将核废料进行化学分离（Partitioning），再用嬗变装置，通过高能中子引发核反应，将少数危险大、寿命长的放射性元素转变为稳定元素，或寿命相对较短的放射性元素，这一步叫做嬗变（Transmutation）。这一方法即所谓的“分离-嬗变”（P&T）技术，虽然并不能因为采用这个方法而彻底放弃核废料深埋的方案，但至少可以借此大大降低核废料中放射性元素的含量。

在常见的轻水核反应堆中，核燃料是不会完全“燃烧”的。原因在于，核反应所产生的新元素会捕捉越来越多的中子，而中子在链式反应中又是必不可少的。所以，只要核燃料达到一个所谓“燃尽”的状态，即链式反应产生的中子刚好被反应产物完全捕获时，链式反应就会停止，于是核燃料就必须更换，而此时，核燃料其实并未真正燃烧完全。

除了铀和它的核裂变产物之外，在轻水核反应堆的废燃料棒内还含有超铀元素。反应堆里的铀（原子序数92）捕获中子之后，有可能不发生裂变反应，而是转化为原子序数更大的元素，即超铀元素。这些超铀元素包括钚，以及微量的锕系元素，比如镎、镅和锔。在燃烧过的燃料棒里，钚大约占百分之一的重量，而锕系元素大约只占千分之一的重量。

燃料从开始使用，到最终燃尽销毁的过程叫做燃料循环过程。按照循环方式的不同，燃料循环过程又分为开放式和封闭式两种。在开放式燃料循环过程中，乏燃料（即“燃尽”的核燃料）被很多国家认为是具有高辐射性的垃圾，对它们的处理方式一般是直接深埋，不做回收。采取这种燃料循环方式的国家有德国、瑞士和美国。而法国、英国和日本则会对乏燃料进行再处理。他们先把反应堆里没有发生裂变的铀，以及在核裂变过程中新产生的钚从燃料棒里提取出来，然后以混合氧化物燃料（简称MOX）的形式进行再利用。这些混合氧化物燃料中含有铀及钚的氧化物，可以作为轻水反应堆的燃料继续使用。这种处理核燃料的方法，可以更充分地利用核燃料，也大大降低了核废料中钚的含量。直到几年前，德国一直在使用这一方法，他们将燃烧过的乏燃料运往法国的阿格后处理厂（La Hague）以及英国的塞拉菲尔德（Sellafield）进行再处理。不过到了2005年，德国立法禁止了核废料运输。

与开放式的燃料循环过程相对应，封闭式的燃料循环过程则提供了一种面向未来的新选择，它可以使上文提到的“分离—嬗变过程”发挥更大的效能。这一方法不仅会对超铀元素、镅、锔及镎进行多次再回收，同时也建立在新型燃料的开发、新型分离过程及全新反应堆方案的实施等新技术之上。

科学界对放射性元素的危险性有一个度量标准，即所谓的放射性毒性。放射性毒性的高低取决于很多的因素，包括辐射的类型、辐射能量、相应的放射性元素是否容易被人体吸收，以及该放射性元素在人体内逗留时间的长短等。根据有效剂量系数（考虑生物权重因子）以及元素的放射性活度，可以计算出相应的放射性毒性。在这里，所谓的有效剂量系数主要是以辐射类型以及辐射对人体的影响作为参考依据，辐射类型主要有α辐射、β辐射和γ辐射3种。为测定燃烧过的核燃料的放射性毒性，需要在一个较长的时间段内进行观测，对其中少数几种元素进行相关测量，以确定相应的放射性毒性（见第90页图）。这些元素主要包括钚、镅、镎、少量的锔，以及一些有较长寿命的碘和锝。P&T技术主要是针对超铀元素：先使用化学的方法将超铀元素与其他元素分离，然后再使用特殊的转化设备将它们转变为相应的同位素，这些同位素要么相对稳定，要么具有较短的半衰期。

降低放射性毒性

大量研究表明，当钚从乏燃料中分离出来，经过嬗变处理后，乏燃料的放射性毒性会下降到原来的1/10。理论上，把微量的锕系元素再分离出来之后，乏燃料的放射性毒性指数甚至可以下降为原来的1%。由于每经历一次再处理过程，可被有效转化的锕系元素只有不到20%，所以继续进行多次分离和再循环是必需的。

通过这种方式，可以有效降低乏燃料的放射性毒性。由于在一个燃烧周期内不能实现完全转化，加上在转化过程中所产生的损耗（该损耗应该明显低于原料质量的百分之一），使得在现实中不能完全达到理论的曲线（第90页右图下的红线）。然而，人们却在工业中大致实现了这个过程，并由此确定，经过燃烧和转化的核燃料所具备的放射性毒性，会在数百年或数千年后下降到和天然铀一个水平。P&T技术还有一个优点是，它可以有效降低这些需要被深埋处理的核废料所产生的热量。这样，在一个核废料存放点就可以存放更多核废料，或者可以建造更小的核废料存放点。

现在，我们还需要面对两个核心问题。首先，我们是否要进一步研究P&T技术的可行性？其次，这一技术如何在世界范围内得以运用？无论如何，我们都要首先展开一系列与此相关的基础科学研究。这套用于分离锕系金属的实验方法，在今天看来是非常有前途的，但在分离化学领域，有些问题还需要进一步验证。例如，该方法是否真正符合工业标准，它的实施成本是否可以接受。另外，运用这个新方法，还需要有新型燃料作支持。对于P&T技术来说，完全不含铀，并且富含钚及微量锕系金属的燃料是最理想的。没有铀，就可以避免铀的同位素（例如铀238）捕获中子，转变为超铀元素，这样就不会致使转化效率降低。作为替代物，目前科学家还在研究不同的惰性基座材料，例如氧化镁或钼。除此之外，新的生产流程也很必要，借助新的生产流程可以使得钚和微量的锕系金属嵌入到这些材料里去，制成粉末状的燃料，进而压制成药品的形状，以便装入燃料包壳里。

在实验中还需要进一步验证，上文提到的这些燃料，以及制作包壳的材料在真正的反应堆中如何运作。它们在高速中子的轰击下和裂变产生的高温中能否始终保持稳定？此外，由于锕系元素的放射性强，并且衰变时发出大量的热，必须通过远程操作才能有效控制它们，而所有这些技术，如今只停留在实验室阶段。

在当今常见的轻水反应堆里，是由热中子（能量较低、速度较慢的中子）来引发核裂变的。钚元素、特别是微量的锕系元素确实可以俘获很多慢速运行的中子。而与之相反，P&T技术使用了快中子，以降低中子被超铀元素捕获的概率，从而保证优先引发裂变反应。（嬗变反应中，中子捕获反应和裂变反应相互竞争。嬗变的目的是促进裂变反应，使超铀元素变成较轻的元素，而捕获反应会导致元素的原子序数增加。这两种反应的发生概率与中子的能量和核素类型等因素有关。相比热中子，快中子引发裂变反应的概率更大，因此反应使用快中子。）

根据理论模型，运用加速器驱动系统（Accelerator Driven Systems, ADS）可以实现最高的转化率。这些系统是在高速中子以及无铀燃料的条件下运行的。在加速器驱动系统里，一台高效率的加速器通过一个真空钢管向“目标”发射高能质子（见第88页图），由此产生了快中子。这颗高能质子撞击原子核，把原子核“劈开”，并释放出更多中子，这一过程被称为裂变。

液态的重金属铅，以及在较低温度下即可融化的铅铋合金被广泛作为裂变材料使用。被释放的中子最终会碰到这层保护罩，也就是转化反应堆堆芯的外壳。和现今广泛使用的反应堆有所不同，转化反应堆的堆芯被称为是次临界的。意思是，反应堆的堆芯无法产生足够多的中子，因此自己无法维持链式反应，需要依靠外界不断补充中子。这也正符合一个非常重要的安全考量：只要停止加速器，链式反应就会自动停止。

目前，类似于ADS类型的转化设施依旧还只是一个设想。为了把它真正化为现实，我们必须要在接下来的数十年时间里克服好几个重要难题。首先是耐高温材料以及新型冷却剂技术的开发，其次是研发新型的动态流体模拟方法。此外，还必须要精确地预测出，新材料和组件在严酷的高放射性运行环境下会有何种反应。为了充分证明使用大型机器的ADS系统的可行性，还需要对缩小的模型进行多种测试。

一般而言，P&T技术面临的机遇和风险，同样也是先进的燃料循环方式面临的机遇和风险。人们会从不同的角度对它们进行不同的评判。对工业界来说，经济效益是首要问题，而社会大众更关心安全方面的问题。由于核废料中长期存在着辐射毒性，而P&T技术又可以大大降低它们的辐射危害，从这点上来看，也可以说是先进的燃料循环方式所附带的一个福利。

深埋法不会被取代

近期的很多研究都在探讨，P&T技术是否会真正影响传统的核废料深埋方法。首先，P&T技术可以把需以深埋方式处理的高放射性核废料的量降低约1/5。而与此同时，中低放射性的核废料则会成倍增长。其次，核废料在继续衰变过程中产生的热量会大大降低。和现在的直接深埋方法相比较，预计在50年后，用P&T技术处理的核废料的发热量，大约只有以前的三分之一，因此，这些高放射性核废料可以更加紧密地存放，从而把核废料存储点的空间需求大约减少到原来的1/9。锕系元素含量的降低还可以带来另一个好处。核废料存储点的建设需要考虑很多因素，首先是地理条件的变化，因为锕系元素具有很高的活性，一旦岩石壁在漫长的岁月里出现了裂痕，锕系金属就极有可能通过这些裂缝渗漏到外界；另一方面，还要防止人类意外闯入所导致的污染扩散。因此，当核废料中锕系元素较少时，上述的风险也就降低了。

尽管有这些事实论据，但P&T技术能否付诸实践还是取决于公众，取决于整个社会如何评估核燃料的多次回收以及ADS设施的安全性等因素。几乎可以肯定的是，如果P&T技术得以实施，那么核废料在核电站、P&T设备和核废料深埋仓库之间的运输次数必将增加，这无疑会降低公众对P&T技术的正面评价。

时至今日，对于转化具有长期辐射危害的裂变产物碘129（半衰期是1,570万年）和锝99（半衰期是21.11万年），依旧没有十分有效的策略。对于这些元素，通过快中子撞击来获得所预期的核反应的可能性非常低。转化率只有3%～4%之间，因此人们必须对其进行反复回收和再转化。当然，用热中子可以增加转化率，但由于这些裂变产物会吸收大量的热中子，为了作出补偿，就必须在核燃料中大大提升铀235的浓度。可这样就违反了国际原子能机构（IAEO，总部设在维也纳）规定的核燃料铀浓度上限。

需要特别指出的是：即便是用P&T技术，也依旧无法取代核废料的深埋处理方式。在P&T技术转化过程中，会有下面三种物质产生：第一，由于转化过程自身存在损耗，有一部分燃料不参与转化，它们在分裂过程中会逐渐积累在其他物质下面；第二，转化过程中会生成半衰期较短的放射性物质；第三，出现很多高辐射垃圾，它们是从再处理过程中不断积累下来的。为了存储这三种物质，核废料处理设备依旧是必不可少的。当然，在未来一定会开发出一种有效的且符合工业标准的P&T技术，借助它可以有效降低高放核废料的浓度和体积。

第四代反应堆

接下来还会发生什么呢？位于比利时的核能研究中心SCK-CEN一直专注于核能的关键技术研究，目前正在计划建造一个耗资约10亿欧元的新型核反应堆，名为MYRRHA。这是一个“混合型多用途实验反应堆”，产热功率理论上能达到约85兆瓦。这也会是科学家首次将一个质子加速器、一个散裂靶和一个次临界保护罩组合在一起，从而形成一个完整的ADS设备。整个系统以液态的铅铋合金作为冷却剂。另外，转化燃料和燃料棒包壳材料都还需要在这个系统中完成进一步测试。

除此之外，这项新技术的进一步发展主要还取决于如下两点：首先是全世界使用核电的国家会采用何种策略，其次是他们在所谓的第四代核反应堆的问题上如何做出最终决定。这些新概念反应堆还处在研究阶段，最早要在2030年才能投入使用，它们必须要满足更高的安全标准，创造更高的经济效应，同时还要更充分地利用核燃料，从而产生更少的核废料。

为了持续发展核能，俄罗斯、中国和印度等国家计划加强对铀存储的管理，并尝试降低核废料的排放量。这些国家认为钚是可回收原料，因为它可以在封闭式燃料循环中被进一步利用，当然不一定要经过ADS设备的转化。为此，这些国家开始了大规模的扩建项目，大约在2040年至2050年之间，他们可能会使用第四代快中子反应堆。而在其他一些国家，比如美国，由于目前核废料的再处理是被禁止的，所以第四代核反应堆的建设可能要晚一些才能进行。这些国家主要使用轻水反应堆，并同时致力于减少超铀元素的形成。和一些第四代反应堆一样，这个也可以在ADS设备中实现。除此之外，多次循环利用轻水堆中的钚也是可行的。而对于德国和日本这些将要放弃核能的国家来说，目前最大的问题依旧是核废料存储和放置，他们最终决定，将全部的超铀元素都转化成无辐射危害的物质。

事实上，核能在未来一定会成为世界范围内电能的主要来源，因此一定会出现越来越多的第四代核反应堆。第四代反应堆号称要达到更安全、使用寿命更长和经济效益更好的目标，听起来充满了雄心壮志，但是仅仅靠反应堆自身的技术进步，这三个目标是难以达到的。只有把它和封闭式的燃料循环相结合，这些预期目标才能真正得以实现。

本文作者：

约阿希姆·克内贝尔是德国卡尔斯鲁厄工业大学首席科学家。2011年5月，鉴于他在核燃料的分离及转化领域所获得的卓越成就，PRO EUROPA协会授予了他欧洲科学文化奖。

康塞塔·法齐奥是卡尔斯鲁厄工业大学核能安全研究项目组（NUKLEAR）的成员。

沃纳·马谢克是卡尔斯鲁厄工业大学核能技术学院（IKET）的副院长。

沃尔特·特鲁姆是卡尔斯鲁厄工业大学核能安全研究项目组（NUKLEAR）的发言人。

本文译者：朱成毕业于上海交通大学，目前就职于德国曼海姆企业经济信息研究所。（戚译引亦参与本文编辑）