核能利用中，如何讓核廢料從「不定時炸彈」變得人畜無害？

核能作為一種有效的清潔能源，如何利用它體現了一個國家經濟、工業和科技的綜合實力水平。相比於歐美髮達國家，中國核電技術的應用發展起步比較晚，直到1994年，第一座大型核電站——大亞灣核電站才開始投入商業運營。不過，中國現在的核電技術發展已經駛入快車道，以華龍一號為例，中國自主研發的第三代核電技術已經開始出口國外，比國際社會領先一步，同時第四代核電技術也取得了很大的突破。

既然核能是清潔能源，那為何還有核廢料一說？理論上，核電的發電效率高出火力非常多，同時核反應堆將熱能轉化為電能的過程是在一個閉環系統內進行，不產生任何污染氣體。然而，在核能使用前後卻會不可避免地產生一定量的核廢料。

電站發電的實質是能量的轉化，而核電的能量則來自於原子核的核反應：中子轟擊鈾-235核，使原子核分裂成兩個質量較小的新原子核（核裂變反應），核質量的減少會產生巨大的能量。而自然界的鈾礦中，鈾-235丰度是無法直接供核電站使用的，必須先用化學手段提純。

得到提純的原料之後，還需要將鈾-235從鈾的眾多同位素中分離處理，目前普遍的手段是將其變成氣態氟化鈾，然後離心出來，最後經過加工才能應用到核電站上，在這一過程中，又會產生新的核廢料。

當核燃料進入到反應堆中，鈾-235經過連續鏈式裂變反應，釋放能量。但目前人類的技術水平還無法將核燃料完全利用（早先的核技術一般只能利用成品料的1%-2%），加上鈾元素裂變後的產物，這些殘留物就成了高輻射的乏燃料。最後，核電站的使用並非永久性的，其壽命一般在30年左右。到期退役的核電站需要進行拆除，拆除後的廢爐碎塊及其他反應堆配件，因為長期接觸放射性物質，也具有一定的放射性，需要當作核廢料處理。

對於中低放射性核廢料，無論是固體核廢料還是液體核廢料，首先需要進行固化處理，然後再封裝到200升的特製不鏽鋼桶里，最後放在淺地層的處置庫里。而對於高放射核廢料，首先要把它送到處置場進行玻璃固化，然後封裝到可屏蔽輻射的金屬罐中，最後深埋到更深的地層中（至少500米深），或者投入選定海域4000米以下的海底。由於核廢料的半衰期從數萬年到10萬年不等，因此處置庫的地質條件必須保證其至少10萬年內的安全。

圖：封裝好的經過處理的核廢料，及桶內固化好的核廢料從上面可以看出，核廢料處理的兩大特點就是分離和固化。分離有兩步，首先是將核廢料中無放射性的物質分離出來，將其體積縮小（高放射性廢物的儲存和化學方法玻璃化處理費用昂貴）。對於有放射性的物質，需要利用化學手段，將其中長、短半衰期的元素分開。半衰期短的元素，只需要讓其自然衰減，就會變成無放射性的廢料，再與正常的廢料一起處理。

圖：核廢料的分離過程要在特定裝置內進行，以防放射性物質衰變產生放射性危害核廢料的玻璃化就是將核廢料固定到特殊的玻璃體內。玻璃體作為一種非晶態物質，對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入玻璃結構中，以原子尺度固化，這能有效保障其不向外界環境遷移，是目前安全處理核廢料最有效的固化手段。

圖：玻璃固化核廢料示意圖：核廢料均勻溶於玻璃結構體內和含有氣泡和包裹物的玻璃固化體以往核廢料的玻璃固化是直接在電加熱爐中進行的，先將廢料熔融，然後快速降溫玻璃固化。玻璃固化能一定程度上減小廢料的體積，降低核廢料儲存的空間成本。不過這種處理方法的成本較高，所以主要被用於高放射廢料的最終處理。而對於一個發電量100萬千瓦的核電站，一年產生放射性廢料在幾十噸左右，超過99%的核廢料是中低放射性廢料。

熱等離子體處理技術具有高溫、高能量密度、適用性廣等特點，已經在焚燒飛灰、醫療垃圾、多氯聯苯等危險廢物處理領域獲得了廣泛應用，國內外的研究也證明，它在經過恰當改進以後是完全可以用於放射性廢物處置的。等離子體處理核廢料的核心就是等離子減容設備，它一般包含了預處理、分選裝置、減容裝置（等離子體熔化爐）、冷卻固化裝置以及尾氣處理等裝置。

相比燃料式熔融爐法（存在尾氣量相對大、放射性核素揮發率高）、冷坩堝感應熔融爐法（處理量較小、需要多台裝置並聯運行）等方法的玻璃化過程，等離子處理技術的效率更高、產生尾氣量低，而且對核廢料的適用性更強，能夠處理包括高熔點廢物和金屬在內的混合廢料，使得該技術同樣適用於中、低放射性核廢料的處理。不僅如此，等離子技術的兼容性更高，在引入等離子體離心機處理核廢料新技術之後，等離子處理的優勢進一步凸顯。

國外在核廢料處理方面，等離子體處理已經開始普及，中國在這一方面的應用研究也緊隨其後。2012年，第一台國產化核廢料處理等離子熔融爐，在長沙開工建設，採用了當時世界放射性核廢料處理領域最先進的技術。而今年的1月10日，中國在廣東清遠市建立的第一個基於等離子的危險廢物處理示範項目正式通過驗收。

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