核废料处理怎么做(揭秘各国核废料处理方法)

中国核废料处置库——工程历时百年,设计寿命1万年

工程总投资:—

工程期限:2000年——2140年

核电站冷却塔,用河中抽取的冷却水,把从汽轮机中排出的蒸汽冷却后循环使用。英国最早使用这种冷却塔,20世纪30年代以来在各国广泛应用。

自从1991年中国第一座核电站——浙江海盐秦山核电站并网发电以来,中国核电事业在十几年间获得了飞速发展。根据核工业部门的最新资料,中国目前共有浙江秦山、广东大亚湾、岭澳、江苏田湾四座核电站在运行,其中秦山核电站共有5个机组,大亚湾、岭澳、田湾各有两个机组,共11个机组。2008年中国核电总装机容量约900万千瓦。预计到2020年,中国核电总装机容量将超过5000万千瓦。

随着我国核电站数量的增加,中国东部经济发达地区能源短缺的巨大压力得到了有效缓解,但这些核电站在发电的同时也产生了大量的核废料。目前我国核电站每年产生150吨具有高度放射性的核废料,预计到2010年这些核废料的积存量将达到1000吨。由于高度放射性核废料对环境与人体都有极大的危害性,核废料处理问题也日益显现,这也是全世界关注的难题。

广东大亚湾核电站

中国核废料存量的明细账

根据清华大学核能研究设计院的专家统计:目前,中国因核技术运用产生废料累计近1万立方米左右,研究开发产生的废料大概在5000立方米左右,军工生产遗留下的核废料大约有几万立方米,核运用产生的放射源有上万枚。另外,铀矿开采时产生的含放射性物质的废矿石有几千万吨,核矿渣有几千万吨。上述数据,就是目前中国整个核废料存量的明细账。从中可以看出,中国目前核废料的主要来源还不在核电站。核电站产生的核废料存量比重低,主要是因为核电站边生产边处置核废料。

一座100万千瓦的核电站一年产生几十吨放射性废料,这些核废料加工处理后将产生4立方米高辐射核废料、20立方米中辐射核废料、140立方米低辐射核废料和200立方米非辐射性废料。这些核废料都暂存在核电厂自建的硼水池中,硼水可以吸收核废料产生的大部分能量。每个硼水池足以储存核电站10年运行所产生的核废料(乏燃料,即经核电站发电使用过的核燃料)。最后这些核废料将转运到全国统一的放射性核废料处置库。

在过去30年里,美国运行着的100多个核电站,大部分都采用这种方法处理。目前美国核发电站产生的核废料共有4.5万吨,并且正以每年2000吨的速度增加。德国核电站、实验室及医学机构每年产生20万立方米放射性废料。与美德等国相比,中国的核废料处理远没有到“最危险的时候”。专家推测,中国核废料存储空间上的压力会在2030年前后出现,那时,仅核电站产生的高放射核废料(乏燃料),每年就将高达3200吨。

台湾兰屿核废料贮存场用来贮存低放射性核废料的空桶,每个容量大约200升。台湾目前有三座核电站,并且正在筹建永久性的核废料处置场。

核废料处理形式

所谓核废料,是指核电站在运行中产生的含有放射性的物质。从技术层面来看,核废料主要分为高放射性、中放射性、低放射性三类。高放射性核废料主要包括核燃料在发电后产生的乏燃料及其处理物。中低放射性核废料一般包括核电站的污染设备、检测设备、运行时的水化系统、交换树脂、废水废液和手套等劳保用品。中低放射性核废料危害较低;高放射性核废料则含有多种对人体危害极大的高放射性元素,例如只需10毫克钚就能致人毙命,因此各种核废料处置方法是不一样的。

中国对中低放射性核废料的处理,按国家标准和国际原子能机构的要求处理,不论是固体核废料还是液体核废料,都要进行固化处理,然后装在200升的不锈钢桶里,放在浅地层的处置库里。

国际上对高放射核废料有两种处理方式,一种是直接把乏燃料当核废料,经过处理装在大罐子里直接埋到很深的地层下,像美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚等幅员辽阔的国家目前都是这样做的。还有一种是将装有核废料的金属罐投入选定海域4000米以下的海底。中国对高放射废物采取的是后处理方式,即先把乏燃料送到处置场进行玻璃固化,之后再放到至少500米深的地层内埋掉。

将核废料埋在永久性处置库是目前国际公认为最安全的核废料处置方式。不过,在西方社会,由于环保人士的强烈反对,政府要找到一个不被反对的核废料永久存放地不是一件容易的事,因此更倾向在中低放射性核废料库中暂时存放,同时期待有更安全、更能被接受的处理技术和方案出现,再作最终处理。目前为止,全世界已经确定建设高放射核废料处置场厂址的国家只有芬兰。为了保证核废料得到安全处理,各国在投放时要接受国际监督。

广东大亚湾核电站、岭澳核电站及北龙中低放射核废料处置库地形图

中国核废料处置库现状

目前,中国已建有两座中低放射核废料处置库,并准备再建两座,但还没有一座高放射处置库。已建成两座中低放射核废料处置库,分别位于甘肃玉门和广东大亚湾附近的北龙。甘肃玉门西北处置场位于原核工业404厂厂区内,该厂为我国最早的核工业基地之一。广东北龙处置场始建于1998年,于2000年建成,位于大鹏半岛排牙山东侧的一条低缓的小山梁上,距大亚湾核电站5公里,距岭澳核电站4公里。占地近21公顷,设计总处置容量为8万立方米,工程造价约8000万元。主要接收和处置广东省核电站产生的低中水平的放射性固体废物。

这两个中低放处置场,占地20-50万立方米不等,附近还要设置几十平方公里的安全屏障。西北处置厂位于地表之下,距离地表有10-20米;北龙处置场建于地表之上,形成一个方盒子样子的封闭处。这个封闭处土埋之后形成山包,上面将种上植被,进行绿化。一个中低放处置场,一般需要与外界300-500年的隔离期。

与各地争上核电项目的冲动相比,地方政府对于在当地建设处置场却有着不小的抵触情绪。华东处置场的选址就是由于这一原因而一直没有能够定下来。有关方面认为,应该建在浙江。因为浙江的核电站建设起步最早,建设的也最多。据测算,现在建造一个中低放处置场,大约需要2亿元的资金。按照规划,除了已建好的华南、西北两处,还将在华东和西南建设两座区域性低放废物处置库。

中国目前核废料的处置监管由国家环保总局核安全与辐射环境管理司负责。该司也就是以前的国家核安全局,后来并到环保总局。2005年上半年,国防科工委专门开了一个处置高放射物质研讨会,着手进行中长期核废料处置规划,研讨会编制了一个指南,还组成了一个专家委员会,最后确定:中国将建设一座永久性高放射物质处置库,设计寿命10000年,容量要能储存100至200年间全中国产生的核废料,在满了之后就永久地封掉。即至少100年之后,大陆才会出现第二座永久性高放物处置库。

高放射核废料处置库选址

世界各国几十年来对高放射性核废料处理技术进行了广泛的研究,经过对各种方法评估比较后,深地质处置法成为最佳选择,即将高放射性核废料保存在深入地下几百米处的特殊处置库内。由于核废料的高度危险性,一旦处置库选址不当,将造成无法挽回的损失。因此核废料处置库选址必须非常慎重,需要综合考虑整个国家的经济发展布局、人口分布、交通设施、候选地的地质、水文和气候条件等因素。一般来说,世界各国的核废料处置库都建在经济落后、人烟稀少的地区。

根据中国核电发展规划,我国大约会在2015年至2020年左右,确定永久性高放射核废料处置库的库址。目前全国库址勘查共有六大片,即华东、华南、西南、内蒙、新疆、甘肃。华东以前曾考虑选址在江苏、浙江、安徽三省交界处,那里地质岩性比较好,但考虑到以后的经济发展,最后没有再去做更多的勘测工作。

西北地区甘肃敦煌北山的条件非常优越,这里位于敦煌莫高窟东南约25公里,是一片与海南省面积相当的戈壁滩,人烟非常稀少,整个地区人口不到1.2万人,可以说除了沙砾和枯黄的骆驼草以外,寂寞得连回声都没有。北山经济发展较为落后,周围没有什么矿产资源,建设核废料库对经济发展影响较小。这里气候条件也很理想,全年降雨量只有70毫米,而蒸发量却达3000毫米,因此地下水位很低,也就减少了放射性元素随地下水扩散的危险。北山还拥有便利的交通运输条件,库址距离铁路只有七八十公里。此外北山的地质条件非常优越,这里地处地壳运动稳定区,库址所在地有着完整的花岗岩体,而花岗岩是对付辐射的最好的‘防护服’。国际原子能机构的专家们在北山进行考察之后称,北山是世界上最理想的核废料库址之一。

核废料中有不少放射性同位素,其放射性完全衰减往往需要上万年甚至更长的时间。比如说,钚-239的半衰期为24000年,因此,处置库选址时首先考虑的就是地壳稳定,同时还要考虑地下水位的高低,避免多年后放射性同位素渗入地下水而随之扩散。具体说选址分成两方面,一是社会经济因素,二是自然条件。前一方面要考虑当地人口的分布,经济的发展,河流的分布,地上植被状况;后一点就强调地壳稳定,火山、地壳活动层等因素都要被充分考虑。因此,将中国永久性的高放核废料处置库放在西北是有科学道理的。

保障十万年安全

为避免对当地环境造成不良影响,高放射性核废料必须经过严格的处理过程。这些核废料首先要被制成玻璃化的固体,然后被装入可屏蔽辐射的金属罐中,最后将这些金属罐放入位于地下500-1000米的处置库内。由于核废料的半衰期从数万年到10万年不等,在选择处置库时必须确保其地质条件能够保障处置库至少能在10万年内安全。

为核电站提供核燃料的铀矿矿藏一般都蕴藏在断层较多、地质条件不稳定的地区,但是只要不开采,这些铀矿床并不会对地表环境造成什么影响。核废料处置库建设在一个没有地质断层,地壳运动稳定的地方,深度比铀矿床要深很多,周围又设有防护辐射的工程屏障,使其与外部环境相隔离。既然与地表隔离条件不好的铀矿床都不会对地表环境造成什么影响,那么专门建设的核废料处置库必然比天然的铀矿床更加安全。

法国向日本运送核废料的车辆运输过程万无一失

由于建设在东南沿海的核电站与位于西北的核废料处置库之间相隔数千公里,核废料的运输过程需耗时一周左右,沿途还要经过许多人口稠密的地区,因此核废料的运输安全问题也非常重要。

目前中国核废料主要通过陆路运输,长途使用火车,短途使用汽车,这也是目前世界各国核废料运输的主要方式。这种运输方式经过几十年发展,技术上已经很成熟,从其他国家的经验看,这种方式有着长期的安全记录。中国在核废料的运输方面也有一套严格的运输程序和保障体系。

首先,核废料将被装入特殊的罐状运输容器,这种容器可以有效屏蔽辐射,运输核废料的火车车厢和汽车也必须经过特殊改装。其次,在选择运输路线时,有关部门将对沿途的道路、桥梁和沿线的地形、环境等因素进行详细分析比较,选择出最安全的线路。在运送过程中,武警部队将对运输核废料的车队进行全程武装押运,车队还配备有专门的导引车、保卫车以及其他一些保障车辆。先进的设备可以确保前后方通讯顺畅,有关部门还将通过卫星全程监控运输车队,随时掌握车队位置。车队启程前还要通知沿途各地公安、交通部门做好各项配合工作,所有这些措施将保证核废料的运输过程万无一失。2003年底,大亚湾核电站的第一批核废料由于广东北龙处置场未启用而通过公路运输运到西北处置场,前后四批都没有出现意外。

建设核废料处置库的必要性

由于在核废料处置库建成之前,所有的高放射性核废料只能暂存在核电站的硼水池里。如果我们不能及时建成核废料处置库,中国核工业将面临着核废料无处存放的境地。

在这方面,美国曾有过惨痛的教训。美国原计划在1998年建成高放射性核废料处置库,但由于技术难度过高,尽管美国政府投入了大量财力、人力进行研究,最终还是不得不将建成时间延长至2010年。这一结果直接导致了美国40多个核电站储存核废料的水池全部爆满,造成了巨大经济损失并使核电站业主状告美国能源部。

我国的高放射性核废料处置库计划在2030-2040年建成,可以说已经相当紧迫。同时,高放射性核废料处置库又是一项耗资巨大的工程,以美国为例,其尤卡山核废料处置库工程预算达962亿美元。根据中国核电未来规模,中国高放射性核废料处置库将耗资数百亿人民币,容量足以容纳中国核工业未来产生的所有高放射性核废料。我们的处置库将把核废料永远地禁锢在地下深处。

俄罗斯的一个核废料储藏地,靠着从欧洲国家进口核废料,俄罗斯赚了不少钱。

世界各国核废料处理概况

美国是世界最大的核废料产生国,上百个核电站每年产生约2000吨核废料,其中高放射性的乏燃料分布在39个州的131个暂存地点。位于内华达州拉斯维加斯西北150公里的尤卡山(Yucca Mountain),将会成为美国第一个核废料处置场,该工程于1983年启动,2133年关闭退役。预计要花费大约962亿美元(筹划、设计135亿美元,基建、运营、退役548亿美元,燃料转运等195亿美元,其它花费84亿美元)。可贮存109300吨高放废料。

迄今为止,美国能源部已经花费了约60亿美元来开发尤卡山核废料处置场,包括建造了一条8000米长、穿越整个山区的U形隧道(其中有些部分在地面下近300米深)。美国能源部计划在尤卡山再花至少500亿美

元,用来建造几十条支隧道,把核废料封装在形如运油车油箱的钢制容器内送进地下储存隧道,在经过

100年运营,储存满大约10万吨核废料后,将隧道永远封闭。

热量是核废料地下存储的一个主要问题。一个核燃料组件刚从反应堆出来时,它所含有的较短寿放射性同位素(主要是铯-137和锶-90)产生的热量相当于20个手持式吹风机。正因为如此,如果将这种核废料组件埋在尤卡山的地下,它所产生的热量将足以将地下水蒸发为蒸汽。而蒸汽能腐蚀钢制的核废料容器或分解周围的岩石,导致安全性问题。装着核废料的钢制容器一旦被腐蚀,就意味着也许会有放射性物质被渗入土地的雨水带走,送到附近的灌溉系统和饮用水井中,使一代又一代的人在不知不觉中接触到大量辐射。如果将核废料散开存储可以使热量分散,但这样做却会导致存储容量大大减少。还有放射性衰变的问题。高能粒子会和周围的物质相互作用,导致这些物质分解或释出氢,而氢是一种容易爆炸或燃烧的气体。因此地下存储核废料是一个需要长期研究的课题。

俄罗斯是仅次于美国的世界第二大核废料产生国。1995年,俄罗斯总统启动了一个为期10年的计划,用于研究长期处置核废料,目前俄罗斯正在对两个备选埋藏场地进行调查。这两个场地都位于以前生产核武器工厂的附近:一个位于乌拉尔南部的马雅克,另一个位于克拉斯诺雅尔斯克。政府还对另外两个场所(一个位于科拉半岛,另一个位于弗拉迪沃斯托克地区)展开调查。因此,将有4个地质储库可用于储放核废料和高放废料。到目前为止,俄罗斯已经通过克拉斯诺亚尔斯克深井(красноярск)注入场所向深部地层处置了约500万m3的低放和中等放射水平的废液。

法国大约75%的电力来自核能。1991年法国政府开始进行固体核废料处置的研究,到2006年向议会提交研究成果。法国政府目前考虑的核废料处置场有三处,其中一个位于莱因河谷,但那里的葡萄酒商担心会对其葡萄酒产生不良影响。

日本目前共有53个用于发电的核反应堆,供应全日本三分之一的电力,每年核反应堆产生的乏燃料约为900吨。日本的中低放射核废料主要存储在茨城县东海村和福井县的设施内。数十年来累计的核废物储存罐已经超过30万个,每个容量约200升。并且每年新增近1万个核废料储存罐。为此日本政府每年要投入约570亿日元(约6亿美元)。1993年开始建设的青森县六所村核废料再处理工厂是专门负责对从日本全国核电站收集而来的乏燃料(经核电站发电使用过的核燃料)进行钚、铀等提取作业后,将所剩高放射性废液进行玻璃固化的专门工厂。该厂原计划2008年正式启用,但因接二连三地发生技术性故障而至今无法正常运行。

2000年12月,芬兰议会在对4个备选场所进行了15年的调查后,确定在芬兰西海岸的Olkiluoto建设处置国家核废料的埋藏地。芬兰四个核电站中有两个在这里。存放核废料的铜密封罐将埋放到400—700米深处的基岩中,岩体由片岩、片麻岩、花岗岩组成,能储存9000吨的核废料,预计可使用40年。

世界各国高放射性废物处置库建设概况

美国 1983年开始选址 2020年后开始运行 从选址到运行将耗费37年

日本 1976年开始选址 2040年后开始运行 从选址到运行将耗费64年

加拿大 1973年开始选址 2025年后开始运行 从选址到运行将耗费52年

德国 1965年开始选址 2008年后开始运行 从选址到运行将耗费43年

瑞典 1976年开始选址 2020年后开始运行 从选址到运行将耗费44年

芬兰 1987年开始选址 2020年后开始运行 从选址到运行将耗费33年

比利时 1974年开始选址 2050年后开始运行 从选址到运行将耗费76年

英国 1976年开始选址 2035年后开始运行 从选址到运行将耗费59年

瑞士 1980年开始选址 2020年后开始运行 从选址到运行将耗费40年

西班牙 1986年开始选址 2015年后开始运行 从选址到运行将耗费34年

广东岭澳核电站与大亚湾核电站比邻而居,图中近处为办公楼,远处为核电站厂房。

2003年11月10日,在法国东部的洛泰堡,一辆载有12个核废料集装箱的火车穿越过法德两国边界,前往德国北部。遇到数千名德国群众抗议。

尤卡山核废料处置库施工现场

尤卡山核废料处置库地下封存隧道的细节示意图。

尤卡山核废料处置库示意图:1、放射性核废料通过铁路、公路运输到此处,2、核废料被封装到金属密封容器中,3、自动化运输系统将核废料金属罐送到地下,4、金属罐被存放到隧道内的固定位置封存。

尤卡山核废料处置库示意图:1、放射性核废料通过铁路、公路运输到此处,2、核废料被封装到金属密封容器中,3、自动化运输系统将核废料金属罐送到地下,4、金属罐被存放到隧道内的固定位置封存。