核废料为何让人谈虎色变？——浅谈核废料的诞生，流转与储存

临近年末，工作也逐渐忙碌起来，那么就趁元旦前写一篇文章，咱们今天就谈谈上次没有谈的核废料吧。

核废料与乏燃料——容易被混同的概念

顾名思义，核废料，就是核能发电和其他核动力设备产生的废料。如同任何燃料燃烧都会产生燃烧产物一样，核燃料燃烧后也同样会产生反应产物，这种产物就是大众嘴里的“核废料”。不过，在更严格的定义中，发电厂产生的用过的核燃料一般称之为乏燃料，而核废料的范围要更宽一些。

那么，就让我们从源头说说，核废料分为哪些来源吧。

一、核材料生产产生的核废料

我们知道，地球的铀是来自于太阳系形成以前的原始星云中的其他超新星爆炸产物，在地球中的含量约有百万分之二，是银的40倍之多，我们日常建设房子的花岗岩，都会含有少量的铀。由于花岗岩中的铀不断衰变，产生气体氡气，因此久居在这样的气氛中容易患上肺癌，所以尽量不要选择花岗岩作为室内装潢，或者在花岗岩地区建房子。通常来说，当石头里的铀超过万分之三，就可以作为有商业价值的开采目标，更好的一些矿石中会有千分之一的铀，更加适合开采。

但是，就算是当年美国发展核武器用的犹他州的高品位铀矿，其含铀量也就是一吨石头开采出3千克铀的水平，而且其中99.3%都是不可核裂变的铀238，因此要把能够裂变的铀235富集出来形成肉眼可观的分量就需要特别多的精力和投入。首先，需要将矿石粉碎，然后加入强酸和萃取剂，将铀矿从其他成分里萃取出来，然后焙烧得到八氧化三铀。八氧化三铀是比较稳定的氧化物，然后将其溶于硝酸，制取硝酸铀酰，接着通过和氨气、氢气、氢氟酸经过一系列反应生成六氟化铀，就可以送入离心机制取浓缩铀。最后，把含有较多U235的六氟化铀（也就是所谓的浓缩铀）抽出离心机，将六氟化铀烧结成颗粒状的二氧化铀陶瓷，包装到锆合金的管子里，就制造出了核反应堆燃料棒。而作为军用的铀浓度更高，通常武器级浓缩铀需要高于90%U235，然后去掉氟形成金属铀，再加工成精密的球型或环形的战斗部，即所谓的“核球”。

从这个过程可见，从千分之一含量的铀矿石到最终能够引爆核弹的约10千克高浓度铀235球，其中只利用百万分之七。在这个过程中，需要大量的水，电，以及硝酸、氨气、氢氟酸等一系列有毒有害的化学物质，而在过去环保意识尚未深入人心之时，各国的核工业工厂都有就地排污的恶习，导致附近陷入严重的辐射污染。

美国作为冷战最大的核大国，拥有多个核弹工厂，其巅峰时期一年可以生产超过3000枚核弹头。由于这些工程都是打折“国家绝密”的名号，禁止新闻报道，因此这里也滥用这种特权地位长期非法排污。在工厂释放的污水和废气中，既有硝酸，氢氟酸和氯气等腐蚀性物质，更有含有铀，钚的放射性污水，导致周边被严重污染。更为恶劣的是，为了检验核战争时期人民被核辐射的伤害，美国居然在1950-1960年代多次主动释放汉服德工厂等多个核材料工厂的放射性气体，让周边数十万百姓呼吸放射性毒气，以检查他们被污染后的身体变化。因此在美国已经公布的非道德人体实验中，有不少于100万美国人（主要是军人、有色人种）遭受了军方有意的核污染。但是对于周边环境危害最大，持续最久的，莫过于这些“绝密设施”的长期非法排污。

上图所示的美国洛基山核弹工厂就是长期非法排污的惯犯。该工厂长期承担钚提纯和钚弹芯核弹生产，从1953年建立开始，该厂数十个存放放射性材料的罐子就不断传出泄漏事故的传闻，还有多次火灾和爆炸事故，周边的环境也不断检出强烈辐射，在1967年一座装有19000升的钚废液的设施泄漏后，当地的辐射水平超过安全限制1900万倍。到了1978年，公众的反对越来越强，多次发动示威游行要求该厂关闭，但是示威者都被军方以“危害国家安全”驱散。1979年三里岛核事故爆发后，当地组织15000人抗议示威，第二天就有286人被捕，该厂依旧逍遥法外。

为了阻止该厂继续污染当地环境，当地群众发动大串联，组成“洛基山工厂真实力量”，致力于揭穿他们使用“国家绝密”掩盖的危害环境的谎言。1983年，17000名示威者围成一个圈，抗议该厂污染的环境让这里成为禁区。但是无论如何，美国军方和管理核工业的能源部仍然逍遥在这，以至于1988年还在不断发生核物质泄漏事故。

最终，美国人的抗议惊动了FBI。FBI开始介入调查该设施的排污问题，1988年，FBI出动间谍飞机，拍摄了工厂的实际情况，确认里面确实是有大量未经有效管制的设施，然后他们还派出特工，询问当地人和工人有关该厂的实际情况，终于查明了他们长期忽视安全防护和非法排污的问题。于是，1989年FBI知会美国能源部（DOE），说他们要调查“该设施遭受的恐怖袭击安全”，同时他们还从美国联邦法院和科罗拉多州法院获得了搜查令，协同当地卫生部门一起调查。由于他们打着“反恐”的旗号，核设施不敢阻拦，放任他们进了工厂，但FBI和卫生部门进了会议室后，立即亮出搜查令，并以他们的武装控制了核工厂，进行细致的调查，结果获得大批该厂无视环保法规非法排污和不进行安全管理的证据，终于迫使该厂和负责运转的洛克威尔（B-1轰炸机承包商）认罪。

1992年，该厂被强制关闭，罚款1850万美元，是当时美国最高的环保罚单。由于该厂被查封，导致美国UGM-133三叉戟导弹换装W88弹头的计划也被迫搁浅，迄今为止美军只装备了300枚W88核弹头，其他的空缺还得用W76填补。

所以说，核武器的生产全流程，是导致现存辐射污染最严重的一个因素。不过随着冷战结束，军用核材料生产大幅减少，同时核材料生产法规越来越严格，因此生产领域污染如今已经难以看到了。

二、核设施运转产生的核废料

就像燃煤锅炉烧煤后产生煤渣，核反应堆发电后也会产生乏燃料，这是目前核废料最稳定的来源。每一年，一座百万千瓦核反应堆都需要消耗数吨的燃料棒，这些燃料棒含有3-5%的U235，消耗到低于0.7%的时候就不会继续参加核反应了，需要拔出更换。因此这些“用过的”燃料棒也被称为“乏燃料”。

由于核裂变会让U-235破碎为多个小型原子核，因此原先只由U238和U235构成的二氧化铀颗粒，在进行裂变后会变成一堆化学元素极为复杂的混合物。

通常来说，核裂变会产生2个不均匀的原子，其中一个原子量接近95，一个接近137，也有极为罕见的破裂为3个原子核的。在这些裂变产物中，绝大多数寿命都很短，会在短期内衰变成其他更为稳定的元素，不过核废料也有不少长寿命核素残留下来，如未反应完毕的U238（半衰期45亿年），U235（7亿年），吸收中子产生的钚239（2.4万年），以及裂变产物锝99,（半衰期20万年），锝98（半衰期400万年）等，这些核素导致核废料存放100万年都会有辐射性；同时，一些寿命较短，但辐射性很强的核素则是直接危害接触者的物质，如碘131会随着大气挥发，然后被人体吸入富集在甲状腺，让人患上急性辐射病（这就是为何核泄漏要吃碘片的原因，让人的甲状腺饱和以拒绝吸收外来的碘131），锶89和锶90会置换人体的钙，融合在人的骨骼中，使人终生难以摆脱辐射病；还有随着水体扩散的铯137，福岛核事故后周边海鱼带有铯137就是典型例子。因此，核废料比起未反应的核材料和核弹头更加危险，一旦泄露危害极大。

所以，我们一般谈到的核废料处置通常都是核电站乏燃料的处置，因为数量最多，而且生产连贯。过去当人们对这东西危害性不了解的时候，往往会将其找个没人的地方堆放，或者直接丢进大海；不过，随意弃置核废料和倒入大海都会产生严重的问题，如今已经没有这样草率的处理方式了。

三、乏燃料再处理时产生的核废料

由于核反应堆用完的乏燃料里可以提炼出核武器的钚239，航天飞船同位素热电池的钚238和可用于医用，工业用的各种辐射产物，因此很多国家都会对乏燃料进行再处理，分离出他们想要的东西。

在疯狂的冷战岁月，从石墨反应堆的乏燃料提取钚239是除了中国以外所有的核大国，以及印度，巴基斯坦，朝鲜，以色列这样的二流核大国制造核武器最常用的手段，苏联更是将生产钚的石墨堆广泛用于核电站，切尔诺贝利核电站的RBMK就是被设计使用天然铀发电的同时大量生产核武器的钚239.凭借着大量的石墨反应堆，美苏（可能还有英法）都储备了数百吨的武器级钚，可以生产数万个核弹头，现在美国还剩下数百吨库存，随时可以换为大批核弹头。但是后处理同样是个危险性极高的工程，由于从反应堆的铀提纯钚需要先用硝酸溶解二氧化铀，然后使用萃取剂分离钚239，再烧结制造金属钚，和核材料的生产阶段一样需要大面积排放高腐蚀，高放射的废水废气，对环境危害极大。同时，由于钚本身毒性远大于铀，长期接触钚或在短期接触钚，都会导致身体骨髓、肝肾的永久性破坏。

1970年末，刚刚接任九院院长的邓稼先就遇上了一次特大事故，空中投放的氢弹未能起爆，直接重重的摔碎在戈壁滩上，这枚核弹头的核心就是中国极少生产的钚239.为了检查损伤程度，控制核辐射污染范围，邓稼先决定亲自去找回破损的核弹核心。但是常年和核武器打交道的他，在此之前已经预料过这很可能会带来死亡，因此他参加这次行动时罕见的和其他工作人员一起合影。根据邓稼先遗孀许鹿希回忆：

http://www.chinanews.com/gn/2018/07-27/8581701.shtml

茫茫戈壁，两个从头到脚被防护服遮得密密实实的人，站在空旷的核试验场上。即使照片已经泛黄，年已九旬的许鹿希仍清晰地告诉来访者：高个儿的是已经走了32年的丈夫——两弹元勋邓稼先，旁边个子矮的是时任二机部副部长赵敬璞。

　　1986年7月29日，邓稼先因直肠癌晚期去世，年仅62岁。邓稼先去世后的一天，赵敬璞请许鹿希到家里，交给一张她之前从未见过的照片。

　　在核试验场留影纪念是件很不寻常的事情。上世纪70年代末，一次重要的空投核试验发生重大事故，核弹沉重地砸在试验场区的戈壁滩上。通过简要叙述，许鹿希才得知丈夫生前经历了光弹落地事故。这次试验的核弹，从加工、运送到多次投放训练，时任九院（今中国工程物理研究院）院长、试验总指挥的邓稼先都亲自参与。起初，一切顺利。但正式试验那天，起爆口令发出后没有听到爆炸声，一分钟后没有见到升腾的蘑菇云——出状况了。

　　试验失败，首先要找到弹体，查明原因。在场的除了邓稼先，还有多个部门的相关领导，大家都心急如焚。

　　据邓稼先司机回忆，虽然有关部门立即安排了部队进场搜寻抢险，但邓稼先和赵敬璞连防护服都顾不上穿好，就从100多公里外的观测点坐车直接冲进场地，奔赴爆心观察。可是，他们并没有发现碎裂的核弹。

　　晚上，搜寻部队传来消息：碎弹已经找到。邓稼先立刻召集九院各分队长开会，安排第二天进场考察，并反复交待要认真细致地工作，摸清相关情况。

　　第二天，邓稼先带领考察小组分别乘车进入爆心，赵敬璞同行。这是两人第二次进入事故现场，防护措施已严格到位。当行进到弹落地点时，邓稼先才发现，其实昨天他们已经接近弹坑了。

　　邓稼先深知碎裂核弹的核辐射将达到怎样可怕的剂量，但他顾不上个人安危，把司机和赵敬璞留在吉普车上，自己走到弹坑前仔细查看了弹体。直到他判断出爆炸原因为化爆，确定核弹设计没有大问题，才松了一口气。

　　在邓稼先的率领和指挥下，进入靶区的考察小组共七人。

　　到达弹坑后，总体设计室主任、试验总体设计负责人沈中毅把搜寻区域分为四个象限，将上风口的两个象限区域分给了同组的冯绍曾和栗润年，自己查看下风口。另外两人只用了半个小时就查看完毕离开，而沈中毅则耗时一个小时才查看完毕。

　　值得庆幸的是，那是没有风的好天气，核弹碎裂后泄露的放射性污染物没有随风飘散到更广区域。

　　回到营地，经专业医生测试，沈中毅等人身上的放射性剂量超过正常值几百倍，被立即送往青岛救治。在场考察的领导、技术干部、解放军战士、司机，均被安排到各地接受治疗。但邓稼先却没有进行充分的疗养治疗。

　　事故发生几天后，他回到北京，在307医院做了体检。许鹿希至今清楚地记得，邓稼先的尿检指标高得可怕，医生们觉得没办法再做进一步检查。许鹿希提出立即住院或到康复机构疗养，邓稼先却以工作太忙没时间为由拒绝。许鹿希急得大吵，他还开玩笑说，不上班就没工资。

　　无奈，许鹿希带着邓稼先去北大医院中医科找到一位熟人。大夫看了检查结果，奇怪身体怎么会败坏到如此地步，追问是否受到什么大剂量毒品的刺激，两人都无法回答。

　　邓稼先心里惦记着查清事故原因，很快就带着药回到位于四川三线的工作单位。

　　沈中毅和同事们深入研究自现场带回的大量资料信息，仔细查看当天影像记录，反复进行力学试验，终于查明，包伞技术不规范导致降落伞不能打开，光弹落地导致试验失败。九院的核弹设计没有问题。

在邓稼先遭受大剂量辐射后，身体状况每况愈下，最终不幸逝世，年仅62岁。在该次严重事故后，中国就基本未再进行过含钚的核爆炸实验（美国统计的中国45次核试验这是最后一次空爆实验中采用钚核心）。既然接触核弹碎片都有可能导致如此强烈的辐射伤，那么前文中美国生产钚核弹头的工厂长期非法排污，以及苏联美国长期进行的为了提纯钚的乏燃料在处理工程，会导致多少人得上辐射病，就不再多说了。

所以，乏燃料再处理也会产生大量的核废料，但比起直接填埋核废料，整体来说还算是要少一些——前提是采用先进的无害化处理技术。

四、核设施的拆解产生的核废料

由于核反应堆、离心机等设备常年运转，强大的辐射会产生部分设备材料产生韧致辐射和嬗变，使得它们内部甚至外壁都会带上一些辐射。同时，由于部分反应堆的冷却剂会裹挟一定的辐射产物（如熔盐反应堆、金属堆、气冷堆等），而部分压水堆的反应产物也可溶于水（如铯137），会导致整个一回路内被污染。这样一来，就算是拆卸反应堆的零件，排除残余的一回路循环水，都可能导致周边遭受核辐射。因此，对于这些遭受辐射的反应容器，也需要严格的处置。

不过，也有很多核设施由于严重污染，迄今无法安全拆除。

1971年，德国人准备建设一座先进的高温气冷球床反应堆，采用氦气冷却。由于温度很高，其热效率也很好，设计热功率750兆瓦，电功率300兆瓦，综合效率40%，是当时最先进的反应堆。不过，在1986年5月，在它刚刚点火的次年，就发生了燃料球卡住而导致放射性泄漏的事故。德国政府一度企图隐瞒事故，宣称是几天前爆发的切尔诺贝利的辐射尘飘到了当地，但很快就被揭穿。在人民强烈的抗疫下，该发电厂仅运转了423天就被关闭。但是由于核燃料球破碎的核裂变产物被冷却气流散播到了整个厂区内部，导致迄今为止内部一回路仍然布满辐射产物，无法拆除，德国人预计2027年才能等候到辐射下降到安全水平，到那时才可以花费几十年拆毁这个核电厂。由于该技术在德国遭受抵制，德国人无法继续建设高温气冷堆，便索性出口中国，即清华大学HTR-10和目前石岛湾在建的高温气冷堆的技术来源。

因此，核动力设备退役时也不可避免产生核废料。

核废料的处置——临时处置和最终处置

说完了核废料的来源，那么就得谈谈它怎么离开。由于我们目前面对的最多的核废料都是核反应堆拉出来的乏燃料，因此下文主要以乏燃料处置为例讲解核废料的处置。

考虑到乏燃料拖出反应堆时，内部仍然有着强烈的辐射和衰变放热，为了让人安全转运乏燃料，首先大部分的乏燃料会在厂区进行临时处置，这种临时储存设施就是“乏燃料水池”。

通常来说，大部分反应堆会在换料前关闭，不过也有少数反应堆，如苏联的RBMK石墨沸水堆，加拿大CANDU重水压水堆允许一边运转一边换料。在反应堆安全关闭后，关闭的反应堆顶盖就会打开，然后操作机械臂就会将指定的乏燃料拔出反应堆，插入不远处的乏燃料水池的水底。在乏燃料水池中，核燃料会经历数年的冷却期，待其中高放射性产物消耗部分后，便可以使用干式运输桶拉出处置。

虽然乏燃料已经不能驱动反应堆，但是乏燃料水池仍然是一个高温热源，在没有循环情况下很容易发生“干烧”事故，仍然能够引发熔毁事故。

2011年的311大地震中，日本福岛核电厂4号反应堆并未属于发电运转状态，但是它的乏燃料水池却堆放着大批乏燃料棒。在3月15日冷却中断第4天，乏燃料水池烧干，乏燃料衰变热累计开始自燃，引发严重辐射性烟尘污染，最后才得以用大量水淹没。因此，乏燃料水池也需要足够的冷却设备，以保证在数年的冷却时间内都不会干烧。

同时，不同堆芯产生乏燃料的数量也不同，其中产生最多的是高温气冷堆。根据《能源杂志》的报道：

https://www.sohu.com/a/355223162_240923

温气冷堆由于能源密度低和固有安全性的原因，同等装机规模高温气冷堆乏燃料产生量相当于等装机规模压水堆乏燃料10倍以上。以10MW正在运行实验堆进行统计，年产生乏燃料1.898吨。“十四五”期间，如开工3台600MW的高温气冷堆机组，运营后每年产生626吨乏燃料，相当于210,000MW压水堆（也即21个百万千瓦压水堆机组）乏燃料年产生量。

因此，考虑到我国正在建设和已经服役的百万千瓦级反应堆已超过50座，每年约产生1000吨的乏燃料，对于我国的乏燃料暂存是一个较大的挑战，而因为乏燃料水池也需要持续冷却，还有人产生了一个新的想法——乏燃料供暖技术。

各国此前都试验过核电厂热电联产或者干脆使用小型反应堆直接供暖的技术，但是实际上那都是需要临界体积的核燃料才能进行的工程，其难度不亚于小型发电反应堆。因此，如果能够利用乏燃料堆放水池的余热继续供应热量，则将有效的变废为宝。不过，考虑到乏燃料水池难以将水烧开，而低温热水的二回路加热效率较低，所以该技术尚未进行有效推广，但确实是一个可行的办法之一。

当乏燃料经过足够的冷却后，即可装入干式储存桶，转运到下一个阶段进行处置。

一般来说，刚刚冷却的乏燃料仍含有较多的短寿命裂变产物，仍然有一定的辐射，因此现实中，为了防止衰变热破坏外壳，导致放射性泄漏，这些罐子不会被轻易埋入地下，最多也就是浅地层埋藏，一定时间会翻出来检查一下。

不过，考虑到上文中提到的乏燃料再处理的成效，在法国，俄罗斯（不含美国）等核工业较好的国家，民用核废料也有一部分会进入乏燃料再处理流程。

当代世界最强的乏燃料再处理来自于法国。法国作为全球唯一核能发电超过70%的发达国家，有着世界最强的民用核工业水平，中国50多座反应堆中，除去国内自主技术的秦山一期，进口的加拿大CANDU，美国AP1000和俄罗斯VVER反应堆外，绝大多数反应堆都是来自于法国出口给中国的大亚湾M310反应堆技术，可见法国民用核能工业之强。法国同样有这世界最好的民用乏燃料再处理设施——阿海珐旗下的阿格核燃料后处理工厂。该厂坐落于法国阿格，拥有5000名员工，每年可以处理1700吨乏燃料。该厂同样环保水平位居世界领先，根据资料，法国阿格核循环厂多年监测的数据表明，该工厂给产业园区附近的公众带来的辐射剂量为0.03 毫西弗/年（mSv/a）。作为对比，一次医疗CT辐射剂量为10毫西弗。因此由于技术先进，我国正在积极谈判引进该厂技术，服务于我国50多座反应堆，年均产生1000吨乏燃料的国情，但处置国内现存的10000吨乏燃料，还需要相当长的时间才能彻底消化。而且，考虑到国民的认识程度，中国2016年初步考虑在田湾核电厂所在的连云港兴建中法合资的乏燃料处理设施，遭到当地抵制而失败，如今中国只能选择更加偏僻的地区兴建再处理设施。

经过乏燃料再处理，可以大大减少高放射性产物的数量。根据法国人测算，一吨乏燃料经过再处理后，仅需要0.2立方米的铁桶即可装载运输，其密度已经下降到比铁还少，这说明绝大多数重金属（铀的密度达到19.3克每立方厘米，水的密度是1克每立方厘米，铁的密度是7.9克每立方厘米）已经被去除掉。经过再处理后，里面的铀，钚都可以继续回到核燃料循环再次利用，剩余的铀238可以储存起来用于快堆，或者制成贫铀弹打击坦克。美国之所以能够以单价8000-10000美元生产M829A3/4贫铀弹，就和他们拥有80万吨贫铀储备有很大关系，比中国生产高性能钨芯穿甲弹成本还低，年产量还高。

经过乏燃料再处理还无法消灭的核材料，那才是真正意义的“核废料”——除了填埋，别无去处。这一类处置方法就是俗话说的“深地层储存技术”——在某个安全的地方挖个大洞，把核废料堆进去彻底抛弃。

不过深地层处置也不是挖个坑埋上一了百了。由于剩余的核废料包括寿命数百万年的超铀元素甚至过亿年的物质，而人类迄今为止最古老的金属材料保存时间也不过3000年，而且上百万年后地质变化的改变会导致它的容器发生不可预知的改变。同时，就算人类预测不到百年后的事情，几十年内不可预知的事情也经常发生——如今年的新冠肺炎就导致加拿大最大的铀矿暂停生产，一度铀矿价格飙升。因此，深地层处置必须找到远离人烟，地层稳定，远离地下水的环境进行深埋。但是，我们知道，符合这种条件的地区也是非常荒僻的地方——如中国大西北的戈壁滩，靠近北极的芬兰山脉之中，那些地方基础设施和交通都很差，也缺乏容纳足够施工人员的住处，这导致在那里开工建设巨型洞窟第一个问题就是如何把施工队和挖掘设备搬过去的问题。而如果为了埋藏核废料而在那里动工建设城市级基础设施，那就和“远离人烟”背道而驰，而且会极大推高埋藏成本。因此迄今为止，中国的深地层处置库仍然属于调研阶段，尚未进入实质性施工。

结语——越高的能量，意味着越高的代价

古老的炼金术说，为了取得足够强的力量，必须“等价交换”付出多高的代价。其实人类社会的能源发展何尝不是这样，在过去依赖人力和畜力的年代，只需要给人吃饭，给马喂草即可劳动生产；而到了后来的工业时代后，为了制造蒸汽机和电动机，首先就得解决制造发动机的基础材料——炼铁高炉，金属拉丝设备等一切配套设备的生产。而到了核动力时代，不仅是获得能源需要巨额投入，连废弃核废料，拆毁报废的核电厂也需要巨额投资，这一切都说明随着人类获取的物质功率密度越高，付出的成本越高的过程。因此，我们每天用的每一度电，自来水龙头流出的每一滴水，都是凝结着整个工业社会各行各业的结晶。为了最大限度让我们合理利用难的的能源，请从我们身边做起，节约能源。