徐 凱

(韓國浦項(xiàng)工科大學(xué)(POSTECH)材料科學(xué)與工程學(xué)院及先進(jìn)核能中心，韓國 浦項(xiàng))

核工業(yè)可持久發(fā)展的基石
——核廢料科學(xué)管理與處置

徐 凱

(韓國浦項(xiàng)工科大學(xué)(POSTECH)材料科學(xué)與工程學(xué)院及先進(jìn)核能中心，韓國 浦項(xiàng))

徐 凱

核燃料能量密度大、成本低、運(yùn)輸存儲方便，且在發(fā)電過程中不產(chǎn)生任何大氣污染。但核燃料在處理及加工中以及核設(shè)施退役過程中，產(chǎn)生的放射性廢物或被其所污染的物質(zhì)，即核廢料，因難以再循環(huán)利用而具有長期危害。因此，如何高效、安全處置核廢料一直是國際社會關(guān)注的熱點(diǎn)話題。1978年，美國MRS秋季年會首次設(shè)置以科學(xué)管理與處置核廢料為主題的Scientific Basis for Nuclear Waste Management分會場，集中重點(diǎn)討論核廢料固化基材(Waste-Form)，涵蓋核廢料的存儲、分離和地質(zhì)處置等多學(xué)科，至此從未間斷。該分會從最開始以尋找合適的固化基材為目標(biāo)，到今天向更加深入研究固化基材結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、長期化學(xué)穩(wěn)定性模擬計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用研究邁進(jìn)。

核廢料；核能；固化基材；核循環(huán)；MRS

1 前 言

目前，全球電力約13%由核能提供。法國高達(dá)約75%的電力來自核能，居世界第一。而美國每年生產(chǎn)的核能總量(約790太瓦·時(shí)/年)位全球首位，滿足約20%的美國電力需求。截止2014年，中國運(yùn)營的核電站共5座，僅為全國提供約2%的電力。隨著我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展和不斷上漲的能源需求，政府已確定大力發(fā)展核電以解決化石燃料帶來的嚴(yán)重大氣污染。日前有超過30座核電站在建或確認(rèn)籌建，在建機(jī)組數(shù)位居世界第一，預(yù)計(jì)到2020年，將為我國提供約5%的電能。

2 核廢料分類及處理技術(shù)

核廢料按放射性水平不同，可分為高、中、低三級。其中，中級和低級放射性廢物占據(jù)主要部分，高放廢物較少。全球每年制造超過20萬m3的中、低級放射性廢物，僅產(chǎn)生約1萬m3的高放廢物。一般來說，中、低級廢物放射性低、壽命短，與外界隔絕一定時(shí)間，待其主要放射性核素衰變后，采用工藝簡單、成本低廉的瀝青、水泥或塑料等基材將其固化，然后做近地面淺埋處置(<100 m)。而高級放射性廢物數(shù)量雖少，但含有較多長壽命的α、β放射體或高強(qiáng)γ放射體，如錒系元素、99Tc，90Sr、137Cs等，對人類活動(dòng)危害極大，需置入深度大于500 m、透水性差的巖洞中封藏上千年。在做深地質(zhì)處置之前，如何將這些衰變時(shí)間長、放射性強(qiáng)的核素固化在耐輻射、耐長期化學(xué)腐蝕的穩(wěn)定基材中，一直是MRS核廢料科學(xué)管理分會場圍繞的中心話題。

硼硅酸鹽玻璃由于其耐輻射性強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、生產(chǎn)工藝相對簡單，因此已被美、法、英、德、日等國家應(yīng)用于高放廢物的固化。合成巖固化，又叫晶格固化，由澳大利亞科學(xué)家Ringwood教授于20世紀(jì)70年代末提出，將放射性核素固化于鈣鈦鋯石、堿硬錳礦、燒綠石、獨(dú)居石、鋯英石等晶體結(jié)構(gòu)中，形成更強(qiáng)的耐腐蝕、輻射和抗壓性的穩(wěn)定基材，使得高放廢物固化更加安全，但由于其生產(chǎn)工藝復(fù)雜、操作成本高昂，目前僅限于科學(xué)研究。

3 MRS核廢料科學(xué)管理分會

參加該分會的研究機(jī)構(gòu)主要來自發(fā)達(dá)國家的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)，如美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室、薩瓦娜河國家實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺和洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室、密西根大學(xué)以及西屋電氣、法國原子能科學(xué)院、英國謝菲爾德大學(xué)、德國核廢料管理中心、澳大利亞核科學(xué)與技術(shù)研究院和日本原子能研究所。

2014年美國MRS核廢料科學(xué)管理分會場除繼續(xù)討論核廢料玻璃生產(chǎn)工藝優(yōu)化和合成巖基材結(jié)構(gòu)外，特別邀請了來自日本九州大學(xué)、法國原子能科學(xué)院和美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家作了關(guān)于易揮發(fā)核素129I和99Tc的捕獲、固化和處置研究報(bào)告，提出了用金屬硫化物、焦炭溶膠和SiO2氣凝膠等材料捕獲129I的想法和探討了鑄石固化尾氣中99Tc的可行性。澳大利亞和德國的科學(xué)家繼續(xù)就經(jīng)高能射線輻照的燒綠石、獨(dú)居石做了深入研究，除用傳統(tǒng)的X射線衍射(XRD)分析外，還采用高分辨透射電鏡(HR-TEM)、切入X射線衍射(GIXRD)和時(shí)間分辨激光熒光光譜(TRLFS)先進(jìn)測試手段，證實(shí)了這些晶體結(jié)構(gòu)在高能輻射后的穩(wěn)定性。韓國作為一個(gè)新興核能國家，發(fā)展迅速，其中約35%的電力來自核能。本次會議，韓國核電公司科學(xué)家也受到邀請，介紹了韓國中、低核廢料的玻璃化應(yīng)用及研究進(jìn)展。

4 我國突破核電關(guān)鍵核心技術(shù)刻不容緩

核廢料的處理與處置是核循環(huán)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，卻是決定核工業(yè)和核能安全利用、能否持久發(fā)展的關(guān)鍵。我國核廢料處理與處置雖起步較晚，但發(fā)展迅速。位于甘肅省的西北處置場已開始運(yùn)行，但關(guān)鍵核心技術(shù)還是依賴國外，例如玻璃固化技術(shù)，包括玻璃體等，都需從德國引進(jìn)。所以，為提升我國核工業(yè)競爭力，推動(dòng)核電裝備“走出去”，我國科學(xué)家仍需不懈努力。(DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.02.11)

(編輯 惠 瓊)