核电站的高放废物通过自然衰变达到无害化需要极其漫长的时间

2016/10/26 11:10:32

　今年1月1日起正式实施的《甘肃省辐射污染防治条例》提出，在甘肃省行政区域内处理、处置的乏燃料和放射性废物，应当缴纳生态补偿费。
　　放射性废物处理处置问题又一次成为焦点。
　　在世界核电发展的历程中，高水平放射性废物（以下简称“高放废物”）处理处置问题一直吸引各方关注。随着我国核电站装机容量的增长，放射性废物的累积量也快速增加。高放废物可以实现安全处置吗？
　　记者近日跟随中核集团2015年核科普公众开放周“核你在一起”活动走进了位于甘肃省兰州市的中国科学院近代物理研究所（以下简称“中科院近物所”）。在这里，我国高放废物处理处置最前沿的研究近在眼前。
　　无法回避的世界性难题
　　加速器驱动次临界系统。
　　这个在行外人听来一头雾水的术语，是中科院近物所ADS系统团队的研究人员每天都要接触的名词，业内习惯称之为“ADS嬗变系统”。作为这个系统的牵头研究单位，团队的每一位研究人员都对这个系统如数家珍。
　　“ADS嬗变系统嬗变长寿命核素能力强，可大幅降低核废料的放射性危害，实现核废料的最少化，被国际公认为是核废料处理最有前景的技术途径。”研究人员告诉记者。
　　研究人员提到的长寿命核素，正是高放废物处理处置时最棘手的难题。在核工业废物中，97%属于中低水平放射性废物，剩下的3%属于高放废物。这些高放废物中的长寿命核素要通过自然衰变达到无害化，需要数千年、上万年甚至几十万年的时间。
　　而我国的高放废物处理处置正面临困境。按照流程，核电站乏燃料卸出后要先存放在电站内的专门水池中冷却、降低辐射。由于乏燃料中仍有部分未燃烧的铀和钚，我国同法国、日本等国选择对乏燃料进行后处理，可用的核素返回核电站，而后处理产生的高放废物，则要运至高放废物处置场进行处置，从此“长眠地底”数万年。
　　公开资料显示，按照《高放废物地质处置研究开发规划指南》，我国将于本世纪中叶最终确认高放废物处置库场址。
　　“如果2030年核电装机容量达到150~200GWe（吉瓦，一个吉瓦等于一个百万千瓦），届时乏燃料累积存量将达到数万吨。乏燃料，特别是其中长寿命高放废物的安全处理处置将成为影响我国核电可持续发展的瓶颈问题之一。”研究人员认为，核电的可持续发展必须在确保安全的前提下解决长寿命高放废物的安全处理处置问题。这是我国乃至国际核能界无法回避的重大问题，也是尚未解决的世界性难题。
　　从几十万年到几百年
　　几十万年，显然是一个太过漫长的过程。
　　中科院ADS团队目前研究的ADS系统正在努力缩短这个漫长的过程。
　　“通过ADS系统，我们可以把高放废物中某些长寿命放射性核素的衰变期从几十万年缩短到几百年。”研究人员告诉记者，“一个优化设计的ADS系统的支持比可达到10左右（一个约百万千瓦的ADS系统可嬗变10个左右同规模压水堆核电机组产生的长寿命放射性核废料）。”
　　据介绍，我国科研人员从20世纪90年代起开展ADS概念研究。ADS系统由加速器、散裂中子靶和次临界反应堆三大分系统组成，要想研究出完整的ADS集成系统，首先要攻克各分系统的单项技术难关。
　　作为这项研究的牵头单位，中科院近物所协同中科院高能物理研究所、中科院合肥物质研究院的研究人员，目前已在超导质子直线加速器等研究方面取得了重要进展和突破，一些关键技术达到国际领先或先进水平，在加速器物理和技术、次临界反应堆物理和技术等方面的探索性研究也取得一系列成果。
　　“当前我们做的一些单项关键技术小型样机已经达到了ADS嬗变系统的技术指标要求，下一步就需要做出集成装置。”说起这一点，团队成员颇为自豪。更为可喜的是，在研究ADS嬗变系统的过程中，中科院近物所团队还进一步发掘了这一系统在核燃料增殖和产能方面的潜力。
　　“一开始我们仅仅是为了解决高放废物的处理处置问题来研究这个系统的，但当我们把其中的一些指标做到较高水平时，发现了它在提高铀资源的利用率方面也有巨大的潜力。”研究人员告诉记者， “如果增加一个高性价比的乏燃料再生循环处理流程，ADS系统在乏燃料处理、燃料增殖和产能3个方面的能力都将得到极大的提升，可以把核电铀资源的利用率从当前的1%提高到95%，所产生的放射性废物不到原乏燃料量的4%，放射性寿命减少到约150年。”
　　研发时间紧迫
　　“目前世界上尚无建成ADS集成系统的先例，这对于我国的ADS研发来说既是机遇，也是挑战。”研究人员说。
　　据了解，欧盟各国、美、日、俄等核能科技发达国家都制定了ADS 中长期发展路线图，当前正处在从关键技术攻关逐步转入建设集成系统的ADS原理研究装置阶段。如日本2009 年由日本原子力研究机构和高能加速器研究机构联合建造了日本强流质子加速器装置，计划在未来升级工程中开展ADS的实验研究。
　　“挑战不小。”研究人员坦言，在加速器方面，工业级ADS装置要求质子加速器的束流功率大于10 MW，而目前世界上运行的最大功率约为1.4 MW。“这就需要我们提高一个量级，这并不是一件容易的事。同时，ADS嬗变系统中对加速器运行的可靠性要求也远高于现有的加速器。”
　　时间很紧。这是中科院ADS团队当前最大的压力。
　　“考虑到我国核废料积累的增长速度，ADS嬗变系统在2030 年代投入实际使用是很有必要的。目前我们已经基本解决了原理和关键技术方面的问题。下一步要开始进行集成技术验证，完成这个阶段以后才能开始做示范装置。”研究人员表示，“如果得到及时稳定的支持，有望在2022年左右基本完成乏燃料循环利用验证等阶段性工作，并在2030年左右实现工业级示范。”