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核废料处置重大突破背后的故事!

发布时间:2021-09-13 10:55:02

昨天核电行业其实双喜临门:华能高温气冷堆临界在朋友圈刷屏,另外一条“重大突破”新闻则上了人民日报微信头条。临界话题感兴趣的可以戳(不单独写科普贴了):只要会开车,你就能明白啥是核电站首次临界今天咱们重点聊聊 这个重大突破的故事:

简单拆分下新闻的关键词,其实就三个方向

核废料处置重大突破背后的故事!(图1)

那么咱们就跟着关键词,依次来聊下

核废料篇?

什么是核废料

70多年前,核能事业的先驱费米预言,如果核工业发展过程中,放射性废物处置依然处于从属地位,拖到今天一定会成为一道难以跨越的坎。

与其他工业一样,核工业的生产、研究以及核技术应用会产生废物,也就是“核废物”,或称为“放射性废物”。简单来说,就是现阶段无法继续提供价值但还具有放射性危害的材料。(保不齐将来可以变废为宝,所以是现阶段)

按照物理形态,放射性废物可分为气态、液态和固态放射性废物,俗称为放射性“三废”;按照放射性水平,可分为低、中、高水平放射性废物,又简称为低放、中放和高放废物。

核废料处置重大突破背后的故事!(图2)

图解出处:凤凰资讯

核废料如何处理

核废料其实有一个很重要的前提:就是无法通过物理、化学和生物的方式消除放射性,消除放射性的唯一办法,只能通过自然衰变,就是时间,没错就是等…

核废料处理确实是一个头疼的事情

首先因为他不纯。废料其中有各种各样的元素,有各种各样的半衰期,所以同样对待就会浪费资源。但是如果想要分离各个同位素,对化学手段要求极高。

其次因为他放射性剂量很强。虽然废料已经无法再反应堆里提供能量了,但是他的放射性依然很强,大量的放射性粒子,使得对他的操作变得很艰难。如果需要移动,除非全机械化一。一旦需要人类靠近,就需要很重的隔离保护。转移,运输都成问题。

最后它很难稀释,需要的水是个天文数字。

所以,面对这个几乎没有太多可能性的选择,我们能做的也很有限,其实和垃圾分类很类似

1.先把有用的筛选出来

2.然后把确定不要的分个类

3.最后根据分类不同,采取不同的处置方式

所以核废料的处置方式大都是这一段话:

先将其中还有利用价值的元素回收,继续制造燃料或者其他用途。(后处理)

再将其中长半衰期和短半衰期的元素分开。对于短半衰期的元素,只需要耐心等待让他自然衰减,就会变成没有放射性的废料,就可以和其他化学废料一起处理。(中低放废物处理)

对于无法继续利用,半衰期又很长的元素,就只能将其储存。(高放废物处理)

核废料处置重大突破背后的故事!(图3)
核废料处置重大突破背后的故事!(图4)

一座100万千瓦的压水堆(PWR)电站,每年卸出乏燃料约25t;其中含有可循环利用的铀约23.75t, 钚约200kg,中短寿命的裂变产物(FPs)约1000kg;还有次锕系核素约20kg,长寿命裂变产物约30kg。

乏燃料后处理之后绝大部分钚和铀作为燃料会被回收,部分后处理厂也回收镎。

最头疼的高放怎么处理

其实高放废物难点不在于高,而在于一直高(半衰期长)。

你放射性再高,如果半衰期短,过两天就没事了,但是架不住有那种天长地久型的。

比较有名的是锝。就是在医学广泛使用的显影手段,利用的就是Tc-99m,可以定位癌细胞,进行医学研究等等。Tc-99也是核反应堆废料的主要成分,而它老人家的半衰期是…. 211,000年。

所以考虑到20万年后人类还是不是这一茬都不好说,这除了稳定性以外,你还得设计一套跨文明的标识系统,方便后来者能看懂。(你还真别觉得是玩笑,这真是课堂上的一道题目)

所以大家一般不说处理,而是处置,也是这个原因。就像是开会讨论碰到一个大家都解决不了的问题,领导一般都会说:先放一放。

最开始高放处置其实不是一个很难的问题,因为会排放到海里,对,就像日本选择的方式一样。

核废料处置重大突破背后的故事!(图5)

放射性废物桶海洋倾废作业

后来国际上有了《防止倾倒废物及其他物质污染海洋的公约》通常简称“1972年伦敖倾废公约”或“伦敦公约”,规定禁止向大洋倾倒放射性废物。

所以,这条路被堵死了。

在海洋处置实践受挫后,大家也考虑过很多方案:比如埋在沙漠里,特别特别深,叫深埋地质处置;还有海岛处置,冰盖处置,甚至还有发射去太空。(万一发射的时候炸了,我们就废了,就这个万一,这个方案就被否了)

当然,也有比较拽的思路,就是之前很火的“太过先进、无法展示”的ADS。

ADS(加速器驱动次临界洁净核能系统),使用加速的质子流对核废料的靶核进行轰击,使之嬗变为低放射性的其他核素,但由于太过先进,还在研究中。

事实上目前各国普遍都是采取陆地深埋地质处置,比如芬兰和美国的尤卡山。(哥斯拉里面去内华达吃空了半个山的那个)

核废料处置重大突破背后的故事!(图6)

尤卡山地下隧道

核废料处置重大突破背后的故事!(图7)

建设中的芬兰高放废物处置库

深埋在哪里呢?

处置厂的选址建造和运营,这是一个严肃的话题。

核废料处置重大突破背后的故事!(图8)

以西北某中低放废物处置场为例,它的设计寿命是300年,它可以接收的只是中低放射性的废物。

比如医院,学校,辐照站产生的放射性废物,300年后处置场便是朽坏了,这些放废的放射性也衰变到可豁免的水平。

就是这样一座只能接受低中放水平的处置场,它也是数百专业人员精心工作得来的结果。

它的地质条件,地震条件,洪水周期,建筑结构,腐蚀条件,防护条件,安保设施等,无一不是经过多次论证才确定的,只是为了保证它能经受300年考验不出事,在300年内经受得住一切风雷地震恐怖分子袭击。

高放废物的处置的要求比它更严苛,要求1万年内(工程设施1000年左右,地质屏蔽10000年左右)玻璃或陶瓷固化体中的放射性物质不会大量进入环境,尤其是地下水。

放射性高且半衰期很长的废物,对处置的要求也越高。莫说设计建造了,就是选址,放眼全国,满足高放深地处置岩层条件的地方都没几个。

我国目前唯一在建的高放处置场,北山,预计2050年投运。

核废料处置重大突破背后的故事!(图9)

核废料处置重大突破背后的故事!(图10)
 

其实想想看,这么处置高放有两个基本前提

1.先保证目能所及的时间段内,我们可以保证安全。

2.相信科学会进步,我们的子孙(或者下一个物种)有比我们更加先进的技术去解决这些问题,先埋起来吧”

为何高放废液要玻璃固化

核废料处置重大突破背后的故事!(图11)

衰变的过程,是会发热的,一直发热肯定会有问题,比如融堆。这也是为啥核事故后,都要不停灌水冷却。(不然福岛哪里来的那么多核废水)

对于数千年的长半衰期裂变产物核素,可靠排除衰变发热并长时间储存不至于泄漏,是非常重要的。而玻璃固化,就是非常推荐的一种方式。

同时,对于高放废液这种液态形式,不进行固化会更加麻烦:

一来后处理废液中大部分是硝酸盐,强放射性会产生氢气有爆炸可能;

二来后处理废液多是酸性,腐蚀性严重;

三来发热量大,液体散热不良会沸腾,并且由于可裂变物质的浓缩可能会临界。

所以大部分后处理场会将高放射性废液和固体废物固结在玻璃体中。

虽然我们暂时解决不了高放废物的问题,但是通过玻璃固化这样的方式,确保提高在放置过程中的安全性,其实也是很有必要的。

饭要一口一口吃,问题要一步一步解决。

四川广元821厂

最开始中国的核反应堆是军用的,没错,就是为了生产原子弹需要的钚。

中国第一个军用原子反应堆及后处理工程是1950年代苏联援建的甘肃404厂。

中苏关系紧张后,中央认为404厂的安全性成疑(苏联部队在外蒙10分钟就可以到404,而且苏联确实扬言要摧毁404),因此,在三线地区另建设一套隐蔽而不会受破坏的军用原子反应堆及后处理工程,就成了当务之急。

涪陵816地下核工程,为当时中国准备建造的第二个军用原子反应堆及后处理工程。

核废料处置重大突破背后的故事!(图12)

由于816建在山洞里,凿洞工程量太大,难度也很大,导致816工期太长,而404又很危险,中央要求抢建821。

1969年5月30日,周恩来总理签发中共中央、中央文革、国务院、中央军委《关于抢建八二一工程的联合通知》,是军发(5)357绝密发电,标题里直接就是“抢”字!

随后,404厂2465名员工到四川,其中1735人到821工程,家属随迁。

当然,随着821厂的建成,816厂也变成了一个从未启动过的核军工反应堆,非常推荐大家前往参观,不用担心辐射问题,深入了解一座核电站,顺便吃个火锅。

核废料处置重大突破背后的故事!(图13)

这是你能正常看到的为数不多的反应堆

20世纪80年代,面对世界进入和平发展的新阶段,1987年8月,国务院决定821厂“停产军品,转产民品”,二次创业其实和很多老国企一样,艰难曲折,放下不表。

由于在历史生产中,产生的核废料,被存储在罐体中,等待处置。

这其实也说明没有高放废液处置的能力,对于独立自主的核电大国,是有点尴尬的。

2008年的汶川地震发生时,其实821厂也在地震波及范围,万幸储罐并没有受到损坏和泄露,但这个事情为了切实保障核安全,同年,国务院审议通过了《821厂中长期退役治理总体规划》。

这也是为什么这个高放处置的项目,示范工程落地在四川广元的背景原因。一个艰难转型的老厂因祸得福。 现在的821厂,已经建成了国内最齐全的放射性废物处理体系,成为国内退役治理领域的“领头羊”

中德合作背后的故事

核废料处置重大突破背后的故事!(图14)

其实笔者挺熟悉德方的,从2015年的聚集研讨会开始,就一直在关注这个项目的进展。

 

激动...我们邀请到了德国最顶尖的放射性废物处理专家来华 。个人觉得德方这几个白发苍苍的老爷子,还是非常有诚意的,印象特别深刻的是专利持有者Dr.Weisenburger那一句:德国已经不需要核工业了,我们希望为我们的技术在中国找一个好婆家。

这个项目其实在取得重大突破之前,新的深化项目就已经在2020年进博会签约了。

来源:中国核电网

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