一提到核废料,很多人会想到发着黄绿色荧光的放射性物质。它危险到需要封存几十万年,也常被当作反对核能的理由:用了核能,就会留下一堆放射性垃圾。
可这些东西放在哪里?谁都不希望它离自己家太近。这种担忧并非无的放矢。根据国际原子能机构的数据,全球每年产生数万吨中低活性核废料。
有估算称,我国一年产生约3500吨核废料,若要依靠长江水来“净化”,需要213万年。这一数字的具体算法并不清楚,但它反映了人们对核废料的普遍印象:数量大,难处理,又甩不掉。
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不过,核废料是否只能是负担?早在20世纪60年代,美国就建过一座与众不同的核反应堆。它和普通反应堆有许多不同,最大的区别在于燃料:它可以用核废料发电。
当时,人们对这类技术寄予厚望,认为它能带来清洁能源充足的未来。那个年代的宣传影片甚至预言,到2000年,美国一半以上的电力将来自原子能。
这个预言没有实现,现实与之相差很远。如今,美国没有对任何核废料进行再利用,这些废料越堆越多,还要持续花钱保证安全。
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如果这项技术确实可行,核废料就不只是放射性垃圾,而是一笔被闲置的清洁能源资源。人们习惯认为技术总在向前发展,但这却是一项技术被搁置的故事:用核废料发电后来怎样了,人类原本可能拥有怎样的清洁能源未来,以及现在有哪些人正试图把这个未来找回来。
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当年那座能利用核废料的反应堆,正是这家实验室研发的,只是参观者当时并不知道。
同行的还有两位来自Oklo公司的人,这家公司正在开发新型核反应堆。参观结束后,大家坐在一棵大树下聊天。
其中一人提到,他们正与阿贡实验室密切合作,研究如何回收现有的乏燃料。她说,仅美国现存的乏燃料,就足够为全国供电150年。
这个说法起初并不让人信服,听起来像是纸面上的算法。比如有人说,地热理论上可以为地球供电几千年,但前提是能把那些能量全部取出来,而人们并不知道该怎么做。对方的回答却很明确:我们知道怎么做,只是还没有商业化设施,技术本身已经具备。
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需要说明的是,专家对现有乏燃料究竟能用多少年看法不一。但他们都认为,依靠已经建成并验证过的技术,现有核废料可以成为一种大规模能源。
而且,对核废料进行回收利用,尤其是多次回收,能大幅缩短最终剩余废料保持放射性的时间,也就缩短了需要储存的时间。真正的难题在于成本和国际政治,而不是基础技术。
要理解这一点,先要弄清核废料从何而来。除了太阳能,人类使用的电力几乎都来自转动的涡轮机。
发电厂通常把液体加热成蒸汽,再用蒸汽推动涡轮。最常见的做法仍是燃烧化石燃料;也可以利用被地球加热的液体,这就是地热;还可以让一种特殊岩石里的原子分裂并产生高温,这就是核能。
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这种特殊的岩石就是铀。天然铀中只有不到1%能够维持核反应,这部分叫铀235,数字用来区分不同的同位素。天然铀通常要经过浓缩,提高其中铀235的比例,降低用处较小的铀238所占比重。
处理后的燃料被制成芯块,大小约等于手指从指尖到第一个关节那一截。芯块装进长长的金属燃料棒里。
反应堆中,自由中子轰击铀235,使其裂变成更小、极不稳定的原子,同时释放出几个中子。这些中子继续撞击附近的铀,引发一连串裂变,形成链式反应。
每次裂变都有一小部分质量转化为能量,使燃料棒变得很热,进而加热水、推动涡轮并产生电力。
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四到六年后,燃料中可裂变的铀消耗到一定程度,反应就无法高效进行。这时的乏燃料被视为高放射性核废料,其中混合着铀238、少量剩余的铀235,以及大量极不稳定、会发出电离辐射的原子。
大剂量电离辐射正是令人恐惧的“看不见的杀手”,会以往往致命的方式损伤人体组织和DNA。更麻烦的是,这些废料保持放射性的时间极长,有时长达数十万年。
目前,美国大部分核废料储存在干式储存罐中,用来隔绝其中的放射性物质。但这种储存罐只能使用几十年,远远达不到几十万年。
几十年来,关于如何处理核废料的争论一直没有停止。长期储存方案是存在的,最常见的思路是深层地质处置,也就是利用地层的屏蔽作用和稳定性,把废料埋在地下深处。
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美国曾计划在内华达州尤卡山建设这样的处置库,一些国家也已开始实施类似方案。但在美国和许多其他国家,大量装着核废料的干式储存罐仍放在核电站里。
简单来说,人们从地下开采铀,只用一次,然后几乎永久储存。这就是美国目前采用的“一次通过”燃料循环。
20世纪60年代的宣传影片里有一个比喻:只用铀235而丢掉其余部分,就像只取走奶油,却把牛奶倒掉。关键在于,如何把仍然有用的物质从真正的废物中分离出来。
阿贡实验室是美国少数仍在测试核废料回收的地方之一。进入实验室前,访客需要提交护照证明自己是美国公民,戴上安全眼镜,而且不能在里面拍摄。
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根据实验室公开的影像资料,研究人员会在大型防护箱里把核废料切成小块,再溶解到一槽熔融盐中。通电后,铀和其他有用物质会与其余废物分离,被推到槽的另一侧沉积下来。
研究人员再用这些沉积物制成新的燃料棒,放回反应堆使用。
这个过程可以重复多次。它不仅能发电,还能缩短废料的放射性时间,因为寿命最长的物质被消耗掉了。废料的放射性持续时间可以从数十万年缩短到几百年,有时甚至更短,储存难度会大大降低。
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如此一来,核燃料循环就变成:开采铀,在反应堆中使用,过滤出有用物质后再次使用,甚至一用再用;等到无法继续利用时,再进行时间短得多、也更容易管理的储存。这就是“闭式燃料循环”。
它有多种形式,并非纸上谈兵。日本等国已经在这样做,理由是可以减少对进口燃料的依赖、节约铀资源,并降低核废料的放射性。
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既然如此,美国为什么没有这样做?1977年,吉米·卡特总统宣布了一系列旨在遏制核战争风险的政策,其中包括停止一切核燃料回收。原因在于,回收过程中分离出的物质包括钚。
钚是一种高放射性元素,当时被认为是核扩散的最大隐患。卡特表示:“没有这种后处理和再循环,也能维持一个可行且经济的核电计划。”
此后,美国放弃了能够利用核废料的快中子反应堆,转向如今普遍使用的轻水反应堆。美国停止了核燃料回收,其他国家并没有跟着停下,这项禁令也不再被视为能有效减缓核扩散。
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1981年,里根总统解除了禁令,但企业此时已经投资建设了无法回收燃料的反应堆,也就是今天普遍使用的这一类。
如今,反对回收的主要理由是成本太高、不划算。与直接使用铀相比,这一点确实成立,因为铀一直便宜而且充足,企业缺乏回收燃料的动力。
但这些条件正在改变。人们开始担心全球冲突可能切断燃料供应,也越来越清楚地认识到,需要尽可能多、尽可能快地获得清洁能源。
这两方面的因素,让人们重新关注这项被搁置的技术。
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在核废料处理的各种选项中,向海洋倾倒一直受到国际社会严格限制。《伦敦倾废公约》旨在控制和管理废弃物的海洋倾倒,相关规定禁止将放射性废物倾倒入海。
近年来,日本决定将福岛第一核电站的核污染水排入海洋,引发了广泛反对,中国外交部多次就此提出严正交涉。2023年6月30日,日本原子能规制委员会结束了对排海设备的最终检查,这意味着排海计划在设备方面的准备工作已经完成。
当天傍晚,数十名日本民众冒雨集会抗议,举着“不要将含有放射性元素的污染水排放入海”“不要无视居民·渔业人员的声音”等标语。
严格来说,福岛核污染水与反应堆乏燃料并不是同一类东西,但这场风波再次说明,核相关废物如何处置,从来不只是技术问题,也牵涉信任、责任和邻国关切。
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回到乏燃料本身,人们离答案其实并不遥远。核废料回收并不是只停留在设想、寄望于未来某天能实现的技术,而是已经得到验证、还需要继续改进的技术。
接下来最重要的是实现商业化。当然,要解决的问题还很多,前面的路也很长。
如果真能回收利用核废料,它所体现的不只是人类能够分裂原子,还有一件更朴素的事:人们能够改变观念、克服恐惧,运用手中的资源、技术和智慧,让明天的生活比今天更好一些。
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