4月13日，日本政府官方?jīng)Q定以海洋排放方式處理福島核電站的核污水，這受到了本土漁業(yè)、周邊國家的抗議以及多國的譴責(zé)。

NHK報(bào)道截圖

眾所周知，大海是連在一起的，隨著核污水的擴(kuò)散，全球生態(tài)都可能會(huì)受到影響。 作為與民眾關(guān)系密切的核電站，自然受到了更廣泛的關(guān)注。小編也查了不少資料來了解核廢料到底該如何正確處理，今天就給大家展開講講。

核電站與傳統(tǒng)的火力發(fā)電站相比，具有著十分顯著的優(yōu)勢(shì)，例如沒有廢氣排放、不加重溫室效應(yīng)、非必需品原料、能量密度大（大概是化石燃料的幾百萬倍）等。但是如果不正確處理核廢料，帶有高強(qiáng)度放射性的物質(zhì)釋放到外界環(huán)境中，會(huì)對(duì)生態(tài)及民眾造成傷害。 不過我們也不用談核色變，合理地利用核能、正確地處理核電站產(chǎn)生的核廢料，核能是一種很優(yōu)秀的能源。

1核電站的工作原理

從目前派上用場的核電站來看，其原理簡單說來就是燒水，只不過是用核能燒水。

核電站是利用核裂變將核能轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅康臒崮?，再由水把熱能帶出，產(chǎn)生高壓蒸汽，從而驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，然后通過發(fā)電機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)利用電磁感應(yīng)定律轉(zhuǎn)化成電能。

核裂變示意圖| 來源：btime

處于風(fēng)口浪尖的福島核電站是沸水堆(boiling water reactor, BWR)核電站，屬于輕水反應(yīng)堆的一種。

核反應(yīng)堆分類 | 來源：wiki

沸水反應(yīng)堆是第二常見的核能發(fā)電反應(yīng)堆型式，以去離子水作為冷卻劑和慢化劑。冷卻水從反應(yīng)堆堆芯下部流入，在沿堆芯上升的過程中，從燃料棒獲取熱量，冷卻劑變成了蒸汽和水的混合物，經(jīng)過汽水分離器和蒸汽干燥器，將分離出的蒸汽來推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

沸水堆工作示意圖 | 來源：wiki

沸水堆只有一個(gè)回路，其最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和運(yùn)行都比較簡單，尺寸小、造價(jià)低廉，但由于沸水堆的循環(huán)系統(tǒng)直接連接了堆芯和渦輪機(jī)，因此可能造成渦輪機(jī)受到放射性污染，給設(shè)計(jì)和維修帶來麻煩。

2正常核廢料與事故核廢水的區(qū)別

福島核電站事故核廢水與核電站在正常運(yùn)行下排放出去的冷卻水根本不是同一種水。 國際上通常采用國際核事件分級(jí)表（INES）對(duì)核電站事件進(jìn)行分級(jí)。

國際核與輻射事件分級(jí)表 | 來源：sohu

由于地震和海嘯引起的福島核電站事故，被定為7級(jí)特大事故。7級(jí)特大事故意味著大型核裝置（如動(dòng)力堆堆芯）的大部分放射性物質(zhì)會(huì)向外釋放，典型的包括長壽命和短壽命的放射性裂變產(chǎn)物的混合物。這種釋放可能有急性健康影響，在大范圍地區(qū)有慢性健康影響、有長期的環(huán)境后果。

福島核事故初期為緩解后果，向其4臺(tái)機(jī)組的反應(yīng)堆、安全殼和乏燃料水池內(nèi)注入了大量海水和淡水，雖然對(duì)燃料進(jìn)行了有效冷卻，但由于其與損毀堆芯直接接觸，產(chǎn)生了有大量放射性廢液，這些廢液雖然已經(jīng)被處理過了，但還是比普通冷卻水有更高的放射性，這便是最近日本決定排放的核污水。而核電站排放的普通冷卻水幾乎沒有放射性（下文會(huì)介紹）。

3核電站產(chǎn)生的廢料種類

核廢料也就是含有放射性核素的廢棄物，可以根據(jù)其物態(tài)分為固態(tài)、氣態(tài)和液態(tài)，也可以根據(jù)其輻射量的大小分為低、中、高級(jí)別，輻射量的大小則可以通過核素的比活度來衡量。比活度(specific activity)是放射源的放射性活度與其質(zhì)量之比，即單位質(zhì)量產(chǎn)品中所含某種核素的放射性活度。

活度(Activity)是處于某一特定能態(tài)的放射性核素在單位時(shí)間內(nèi)的衰變數(shù)，目前放射性活度的國際單位為貝克勒(Bq)，1Bq也就是每秒發(fā)生一次衰變。一克的鐳放射性活度有3.7×101?Bq即1Ci，這也是常用單位居里(Ci)的定義。

高級(jí)別的核廢料主要來源于從反應(yīng)堆芯中換下來的燃料，即乏燃料，它們由于鈾含量降低，已經(jīng)無法維持核反應(yīng)，但仍然具有很強(qiáng)的放射性。 補(bǔ)充說明：乏燃料含有大量未用完的可增殖材料鈾-238或釷-232，未燒完的和新生成的易裂變材料钚-239、鈾-235或鈾-233以及核燃料在輻照過程中產(chǎn)生的镎、镅、鋦等超鈾元素，另外還有裂變?cè)劓J-90、銫-137、锝-99等。

來源：999gou

低級(jí)別的核廢料主要是在核電站運(yùn)行期間除堆芯以外的其他廢物，比如正常產(chǎn)生的廢水，工作人員的衣物，廢棄零組件等。

核廢料也可以根據(jù)半衰期(Half-life)來分類，半衰期是指放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變時(shí)所需要的時(shí)間，可以用于衡量放射性物質(zhì)的壽命。下表中列舉了乏燃料中常見核素的半衰期。

來自筆者

4核廢料的處理

核廢料與日常生活中的廢料相比起來更加危險(xiǎn)，核廢料放出的射線會(huì)對(duì)生物體造成輻射損傷，產(chǎn)生不可逆的傷害。而且，核廢料的放射性不能用任何物理，化學(xué)和生物等人工方式消除，只能靠其自身衰變減少。由上表可見，一些高級(jí)別的核廢料的半衰期很長，對(duì)人類的威脅甚至可以持續(xù)幾萬年甚至數(shù)億年。 因此，處理核廢料有兩個(gè)基本的原則：

減少遷移擴(kuò)散

保證長期穩(wěn)定

對(duì)于中低級(jí)別的核廢料來說，它們占到了所有核廢料中的99%，且它們的半衰期一般為幾十年，危害相對(duì)較低。以我國的廣東北龍中低放處置場為例，首先要建造好可以隔絕輻射的混凝土結(jié)構(gòu)。

然后將核廢料壓縮或者固化之后放入特定的金屬桶或者混凝土容器

再將密封好的容器移入建設(shè)好的混凝土結(jié)構(gòu)中，有時(shí)候根據(jù)情況需要，還會(huì)將容器放入一個(gè)個(gè)的處置單元內(nèi)，然后在容器之間填充混凝土或者沙石，進(jìn)一步隔絕輻射，降低泄露風(fēng)險(xiǎn)。

最后，需要在處置單元的上面澆灌混凝土，并且設(shè)置可移動(dòng)的防雨帳房，防止由于雨水滲入導(dǎo)致的有害物質(zhì)泄露。

對(duì)于高級(jí)別的廢料，它們一般來源于反應(yīng)堆中的乏燃料，與中低級(jí)別的廢料不同，我們不能挖個(gè)更深的坑將其填埋了事，從乏燃料的產(chǎn)生到最終填埋，中間還需要經(jīng)過復(fù)雜的流程，歷經(jīng)數(shù)年的時(shí)間，但大致可以分為以下三個(gè)步驟：

冷卻過程

乏燃料的比活度很高，還會(huì)釋放大量的衰變熱。若直接裝入容器，會(huì)造成容器的熔毀產(chǎn)生泄露，如果乏燃料聚集在一起超過臨界體積，會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生爆炸，后果不堪設(shè)想。

因此，必須將其儲(chǔ)存一段時(shí)間待放射性和余熱降到一定程度后再進(jìn)行操作及處理。按儲(chǔ)存方式乏燃料儲(chǔ)存又有濕式儲(chǔ)存（水池儲(chǔ)存）和干式儲(chǔ)存之分。

利用水或者空氣將乏燃料產(chǎn)生的熱量慢慢帶走，冷卻的過程一般不低于3-5年，乏燃料經(jīng)冷卻降低放射性可以緩解乏燃料后處理工藝上的技術(shù)難度。

不銹鋼混凝土結(jié)構(gòu)的乏燃料儲(chǔ)存水池

來源：百度百科

后處理

乏燃料后處理的目的是分離出各種有用的核素進(jìn)行循環(huán)利用，并且去除長壽命和不穩(wěn)定的核素，以便只對(duì)含相對(duì)短壽命核素的放射性核廢料進(jìn)行填埋處理。

目前最常用的方法是一種溶劑萃取法，也叫普雷克斯法。這個(gè)技術(shù)在20世紀(jì)70年代起就在若干個(gè)國家使用了，目前已經(jīng)是公認(rèn)的比較安全的技術(shù)。

將乏燃料經(jīng)過酸溶解之后，通過調(diào)節(jié)酸的濃度，鈾的濃度等在多級(jí)逆流萃取設(shè)備中分離出鈾，钚和其他裂變產(chǎn)物，從而將有用的核素再循環(huán)利用。

普雷克斯流程 來源：百度百科

經(jīng)過后處理，放射性元素的回收比例可以高達(dá)98.5%~99%，不僅可以減少核廢物污染的可能性，也可以提高自然資源的利用率。

%表示鈾中鈾-235含量百分?jǐn)?shù) 但是，核廢物后處理并不能將所有核素都提取出來，還會(huì)有許多殘留在核廢物中，此外，后處理過程本身也會(huì)產(chǎn)生大量的低等級(jí)核廢物。 經(jīng)過以上的步驟，剩下的頑固分子我們暫時(shí)還拿它們沒有辦法，只能封裝好深深地埋入地底。封存過程中還涉及到一些工藝，用于進(jìn)一步保障核廢物不向周圍環(huán)境遷移，如核廢物玻璃化。

來源：zhihu

這種方法簡單來說就是將放射物蒸干水分之后，將其不斷被放入一個(gè)充滿碎玻璃的加熱熔爐中，玻璃作為一種非晶物質(zhì)，對(duì)不同元素有著廣泛的包容性，而且具有良好的耐久性，核廢料中的大部分元素都可進(jìn)入玻璃結(jié)構(gòu)中，以原子尺度固化。這種經(jīng)過加工處理后的玻璃核廢料混合物有超強(qiáng)的防水性。

最終處理

經(jīng)過層層工序之后，為了確保它們長期與人類和環(huán)境隔絕，把這些廢料存放在穩(wěn)定地質(zhì)構(gòu)造中人工建造的地下儲(chǔ)存所是一種可行的方案，這便是乏燃料的最終處置方式，同時(shí)也叫深地質(zhì)處置。

這種處理方法的基本概念是尋找到一個(gè)廣大的、地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的領(lǐng)域，通過挖掘技術(shù)挖掘到地下300米以上的地方來儲(chǔ)存高放射性廢棄物。目的是將其與人類環(huán)境永久隔離。但是這對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)要求非常嚴(yán)格，要求物理環(huán)境特別穩(wěn)定，長久地不受水和空氣的侵蝕，并能經(jīng)受住地震、火山、爆炸的沖擊?？茖W(xué)家們實(shí)驗(yàn)證明，在花崗巖層、巖鹽層以及粘土層可以有效地保證核廢料容器數(shù)百年內(nèi)不遭破壞。但數(shù)百年后，這些存放地點(diǎn)會(huì)不會(huì)發(fā)生破壞是無法預(yù)料的。

參考資料： [1] 國際核事件分級(jí)表 百度 [2] 核電站百度 [3] 沸水反應(yīng)堆 維基百科 [4] 放射性活度 中國輻射防護(hù)學(xué)會(huì) [5] 乏燃料 百度百科詞條 [6] Radioactive waste Wikipedia, the free encyclopedia [7] Nuclear reprocessing Wikipedia, the free encyclopedia [8] 北龍?zhí)幹脠?百度百科詞條 [9] 放射性廢物處理與處置 李全偉 [10] 核燃料再處理 百度百科 [11] 普雷克斯流程 百度百科 [12] 世界難題——核廢料如何處理？知乎

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