中低放废物的处理

• 放射性废物是怎么产生的？

在核燃料循环中的每一步都可以产生放射性废物。在前段，例如铀的冶炼和浓缩，在废物中放射性元素只包含矿石中已经有的放射性核素种类。这些元素主要是铀和它的衰变产物；在反应堆运行中，燃料中的核反应（主要是裂变反应）能够产生很多种不同放射性物质，以及中子活化堆芯中的各种结构材料。产生的放射性物质有以下几种去路：（1）在核电厂里衰变；（2）释放到环境中；（3）作为放射性废物来储存和处理；（4）核燃料循环再处理。

高中低放射性废物仅仅是用来广泛划分放射性废物的专业术语。超过95%的放射性都包含在乏燃料中或者在高放废物中（如果进行后处理），剩余的放射性将会在日常反应堆运行、储存厂和再处理厂的日常活动中产生。与高放废物不同的是中低放废物产生的衰变热很少，因此在储存期间不需要冷却。低放废物的处理甚至不需要特别的保护，然而处理中放废物还是要采取一定的保护措施，而且其中可能含有相当数量的长寿命放射性核素。

这只是一个简化的描述，关于核素的细节当然会比较复杂像堆型、核电厂运行模式、乏燃料的处理、废物处理都会对放射性的产生、数量和类型有影响。

本文不对这些问题进行深入讨论，仅限于处理含放射性核素的中中放废物的。

• 有哪些放射性废物？

矿山尾矿

铀矿开采的尾矿产生的放射性物质体积在整个核燃料循环中是最多的（体积是其他放射性废物的50-100倍）。这些废物通常是稳定的，基本没有处理。而这些废物包含有长寿命放射性核素，因此必须采取某些措施来减少它们对人类和环境的长期危害。

反应堆产生的废物

在反应堆运行期间，中低放废物是以液体和固体的形式存在。液体废物是反应堆系统和核电站其他系统产生的污水。把这些污水纯化或浓缩，然后和水泥或者沥青混合以做成稳定形式的废物。

固体废物是任何潜在的放射性材料（反应器中的系统或者设备），如过滤器，阀门，管道，垃圾等。大多数固体废物是在维护和修理工作中产生，被压缩，焚烧或简单地装在桶。封装在混凝土中可以做成稳定的废料包。

再处理产生的废物

在后处理中，乏燃料中铀和钚被溶解分离回收。主要的废物是能产生大量热的高放废物（乏燃料中的大量裂变产物）。某些再处理废物包含了大量的长寿命放射性核素，即所谓的超铀元素，这些核素同样需要同自然环境隔离起来，就像高放废物和乏燃料一样。

再处理厂也会产生中低放废物，处理方法与反应堆废物的处理是一样的。

退役废物

核设施的退役也会产生放射性废物。核设施除了在运行过程中会产生与工厂运行类似的废物外，其他类型的废物也会产生，特别是反应堆中某些内部结构材料和其周围的结构材料，都会有感生放射性。

其他类型的中低放废物

科研单位，放射性核素的工业用途和医疗用途也会产生中低放废物。在没有核电的国家，这构成放射性废物的大部分，而有核电的国家，这种废物只占5-30％的放射性废物总量的5-30％。

由于核电规模的继续扩大，可以预计放射性废物的数量将不但增加。

• 放射性废物是怎么处理？

与全社会处理的总的有毒物质相比，放射性废物的量还是很小的。

中低放废物一般是压缩后装在钢桶里，一般就在产生地点的附近。然而，某些类型的废物需要运输到集中处理厂房，例如在某些国家，低级别的可燃垃圾就在中央站点焚化。了解废物的化学和物理性质是对它们的管理是必不可少的。在废物的分类中，废物放射性活度和主要核素的含量及半衰期是两个基本的考虑因素，这对废物的进一步处理、储存、运输和处置都至关重要。

在处理、储存和运输废物的过程中，要采取特别的屏蔽措施来保证安全，并达到国际标准。

• 用什么方法处理废物？

把废物倾倒在海里，这很大程度上依靠核素稀释和分散到环境中，但这是现在禁止的，所有关于中低放废物的处理方法都是封存，直到放射性衰变到辐射水平满足安全标准为止。为此设计出了多重屏蔽防护系统，大多数国家都已经制定或者补充了这方面的政策法规。

封存期的长短取决于有毒放射性废物的比例，特别是核素的半衰期；长寿命核素的含量将决定长期封存的方式。

浅埋的废物通常认为是短寿命、低辐射水平的。在核设施关闭后，要安装一些现场监控措施以防止人为的入侵。然而，必须清楚的知道监控机构的长期维持（例如任何形式的监督由责任监管部门的监督下进行）都不能依靠超越有限的时间，通常认为300年在这方面已经是一个足够大的尺度了。

相反，深埋的放射性核素被认为是一个完全被动的系统，通常被认为是长寿命废物。在这种情况下，没有必要考虑长久精确的监控系统来保证长期的完整性，因为自然事件和人为的破坏的概率是很低的。这个道理很简单，但是，不排除对短寿命废物进行地质深埋的可能性。

实际中，处理中低放废物主要遵循的：（1）地面处理，对于有大规模核电的国家特别有效。法国、美国和英国都已经建立了处理短寿命核素的工厂；（2）地质埋藏，具有在处理前可以避免分离长寿命和短寿命核素的优点，特别是浅地表埋藏。废弃的矿井或者专门挖的深穴都可以拿来处理废物，做的比较好的有芬兰、德国、瑞士等。

• 有什么措施可以确保安全处理中低放废物？

在所有国家放射性废物处置库的选址，建造，运行和关闭受严格的授权和控制程序，当然对其他放射性废物产生源头（核设施，科研单位，放射性同位素的生产和应用设施）和在放射性物质整个装卸，运输和储存的过程中的都有严格监管。这些监管程序能够确保废物的产生在可靠控制之下。

处置废物的处置库，废物验收标准必须达到。这些标准可能涉：（1）限制放射性核素的浓度；（2）限制放射性核素的总活度；（3）对废物体和废物包，某些性能标准也要达到标准，例如，机械，物理和化学稳定性。这些标准很大程度上基于国际和国家放射卫生防护标准，但实际的量化标准也将取决于每一种处置场实际情况下的类型。

一个处置点的详细特征是在进行最后的选址和建设处置库之前进行确定。例如，测量和确定地质特征，地下水流动和地球化学条件的模型。在很多情况下，详细的特征还包括额外包括工程屏障，例如厚的混凝土拱顶和回填的密实的土。这将加强对废弃物的保护，防止地下水过度或过早侵入，并会尽量减少或者延迟废物核素向环境的迁移。

中低放废物的长期安全性可以通过系统的设计屏障逐渐失效的预测模型来评估。一个完整的安全评估还包括潜在的地质环境变化对预选地点的破坏，例如，在预选点地质可能发生断裂或冰川，以及人类侵扰的动作。在发放许可证中，监管部门会进行评估安全分析的结果和他们固有的不确定性。

在施工过程中，处置库的操作和关闭，将严格按要求操作，以确保是按照计划执行。

核废料及其管理

2014年11月8日乏燃料后处理

按照放射性强度，核废料可以分为高放、中放和地方废物。高放废物主要来自核反应堆中使用三年左右的乏燃料；低放废物是由运行电厂所使用的工具和工作服等轻污度染物组成的，低放废物在放射性废物中占有较大比重。用过的过滤器，反应堆内的钢制部件以及后处理中产生的废水等都属于中放废物。

表1 各种核废料所占比例

核废物类型	按体积	按放射性含量
高放废物	3%	95%
中放废物	7%	4%
低放废物	90%	1%

在核电产生的废物中，高放废物只占总体积的3%，但它们含有95%来自核能所产生的放射活性。低放废物占放射性废物总体积的90%，但仅含1%的放射活性。

乏燃料的管理

乏燃料会继续发生衰变反应，放出热量，且伴随有放射性。只要将其冷却，并将使用致密材料如混凝土、钢材或几米的水进行防护，以屏蔽辐射，可达到安全处理与贮存的要求。

水可以提供便捷地冷却和屏蔽保护，因此，一个标准的反应堆会将其燃料在水下拆除并转移至贮存池中。经过五年左右的时间就可以转移到干燥通风的混凝土容器中，否则，就必须在贮存池中安全地长期存放，通常达到50年。

乏燃料贮存池

目前，大部分乏燃料处理是“一次通过式”，不回收再利用，但从乏燃料中回收铀（可称为铀的再处理，或RepU）和钚（Pu），可以避免资源浪费。在核废料中，有约96%的铀，1%是钚，其余3%为高放废物。回收的铀和钚会循环进入新的燃料中得以利用。钚和铀分别以自身的氧化物形式混合被称为混合氧化物燃料（MOX）。

高放废物（无论是经过50年冷却的核废料，还是经过铀钚分离后的3%的高放废物）将会被放置于深埋地下的地质储存库中。

中放和低放废物

处理中低放废物所建立的储存库更接近于地表，低放废物处置场所都是特质的，但与普通城市的垃圾厂并无太大区别。

核电并非唯一产生放射性废物的行业。仅仅举几个其他产业的例子，如医药、粒子和空间研究、石油、天然气和采矿等。这些行业所产生的放射性废物并非产生于反应堆内，而是天然放射性材料自然集中形成的。

在过去50年中，民用核电站产生的核废料从未造成任何影响伤害或造成环境危害。它们的管理及最终处置都十分简单。

位于芬兰TVO’s Olkiluoto的低中放废物贮存车间

所有放射性废物与其他更大数量级的有毒产业废物相比，区分的显著特征是它的放射性在不断地衰变和减少，例如，从反应堆中卸载的核废料经历40年的时间它的剩余放射性仅为初始的1‰，是极易处理处置的。

处理处置

对放射性废物进行高中低放分类，有助于确定如何处理以及最终如何处置。高放废物需要屏蔽以及冷却，低放废物可以较为简单的在无屏蔽下进行处理。

为了降低环境的放射性水平，所有的放射性废物设施都设计有多重防护，以确保工作人员安全。低放、中放废物的掩埋较为接近地表，低放废物的处置与普通城市垃圾填埋场并无太大区别，高放废物可以保持高放射性数千年，它们需要深埋在地质结构稳定的地下设施建筑中。建造高放废物处理设施是可行的，目前一些国家正在设计流程并开始建造。

核废物处理：概论

2014年11月8日乏燃料后处理

核能的特点是很少量的燃料可以释放巨大的能量。废料的量相对来说是很小的。然而，大多数核废料是放射性的，所以必须要很谨慎的管理核废物。

由于放射性核废料本质上是由核反应堆产生的，所以使用核燃料发电国家处理它们是不容推卸的责任，这点是得到全世界公认的。为了保护人类和环境的安全，放射性废物通常会根据不同组成成分会采取不同的管理措施。根据废物放射性的种类和大小，通常会将放射废物分为高放、中放、低放废物。在处理废物中另外一个影响因素是废物保持危险性的时间，这很大程度上取决于废物当中放射性核素半衰期的大小。不同物质的半衰期不同（范围从零点几秒到几十亿年），随着这些核素衰变至稳定同位素，放射性在逐渐减弱。

同位素的衰变率与它的半衰期成反比，因此，对于每一种辐射来说，辐射强度越高，同样多的材料中，它的半衰期就越短。应用于放射性废物管理的三个一般原则如下：

• 集中和控制

• 稀释和驱散

• 延迟并衰减

前两个原则也适用于非放射性废物的管理。废物一般会被集中或者孤立起来，或者稀释到可以接受的程度然后排放到环境之中。第三条原则是放射性废物处理独有的，它是指废物被储存起来，然后通过其中的放射性核素的天然衰变减少其放射性。

低放的废物来自于医院、实验室和工厂，也有一部分来自于核燃料循环链。它由纸、抹布、工具、衣服、过滤器等组成，含有少量的短寿命的放射性。处理这种废物并不是很危险，但是要比平常的垃圾处理的更加小心一些。通常它被浅埋在垃圾处理厂。为了减少体积，通常在处理之前将其压缩或者焚烧置于密闭容器之中。低放废物站废物总体积的90%，但是其放射性只占废物总放射性的1%。

中放废物含有大量的放射性并且可能需要特殊的保护。它通常包括树脂、化学污泥和反应堆组件,以及从反应堆退役中受污染的材料。中放废物体积占所有放射性废物体积的7%，它的放射性占废物总放射性的4%。它需要混凝土或者沥青固化处理。通常短寿命的放射性废物（主要来自于反应堆）被掩埋，但是长寿命的废物（来自核燃料循环后处理）通常都是深埋于地下。

高放废料主要是使用后的核燃料本身。虽然只占放射性废物体积总量的3%，高放废物的放射性占总放射性的95%。它包括一些高放的裂变产物和一些长寿命的重核元素。它一般会产生大量的热并且往往需要冷却，并且在处理和运输过程中需要特殊的屏蔽。如果使用后的核废料再被加工，分离后的废料通过压缩成硼硅酸盐陶瓷化并且密封于不锈钢的容器之中，并且最终深埋于地下。另一方面，如果反应堆燃料不再处理，那么所有的高放射性同位素都会留在它里面，所以整个燃料组件都会被视为高放的废料。使用过的核燃料的体积大概是在再处理中分离玻璃化的高放废料的九倍。使用过的核燃料在视为核废料处理的时候必须密封起来。

高放废料和使用后的核燃料都是具有高放射性的，人们在处理它们的时候必须与它们的辐射隔绝开来。这种核废料是在特殊的容器中运输的，这种容器会隔绝辐射并且不会在事故中破损。

不管使用过的核燃料是否经过再处理，高放废料的体积是适度的，对于一个典型的大的反应堆来说，大约每年3立方米的玻璃花废料，或者25-30吨的使用过的核燃料。相对较少的量使得它在处理之中可以相对独立的进行。

高放的核废料处理通常为了降低它的放射性会延迟40-50年后进行处理，经过这样一个延迟之后，它的放射性变为原来的千分之一左右，这样就更加容易处理了。所以被陶瓷化的废料容器，或者已经使用过的燃料组件，在这段时间里会先储存在特殊池子中的水中，或者干燥的混凝土结构或者桶中，陶瓷化废料和没有再处理的使用完之后的燃料组件最终处理要求它们与环境隔绝相当长的时间。最常用的方法就是将其掩埋在地质条件稳定的结构中地下500米左右，一些国家正在考证公众和环境都能接受的地址。一个特制的为长寿命核废料建设的地下贮藏室（虽然目前只是用于军事目的）已经开始在新墨西哥州运行的。经过1000多年的掩埋，大多数放射性物质已经衰减了，剩余放射性总量相当于相当于铀矿自然开采出来时的放射性含量，虽然它会更加集中。

为了确保处理核废料之后很长的一段时间中放射性没有明显的泄漏，一个多重屏障的处理概念被使用了。高放废物（甚至一些中放废物）的放射性核素被固定起来并且安全的与生物圈隔离起来。主要的屏障是：

1. 将废物固定在不溶性基质之中，如硼硅盐等等。

2. 用耐腐蚀的容器密封起来，如不锈钢等。

3. 如果地下的贮藏室可能是湿润的话，用膨润土包裹着容器来防止任何的地下水活动。

4. 选择稳定的岩石结构进行深层掩埋处理。

日本乏燃料的处理

2014年10月26日乏燃料后处理

• 从1969年到1990年，有超过160艘轮船的乏燃料从日本船运到了欧洲。

• 日本与英国和法国签订了关于处理日本乏燃料的合同。

• 回收到日本核反应堆中使用的裂变物质，称为混合氧化燃料。

• 第一批处理过的高放废物船运到日本的时间是1995年，第十二批也是最后一批来自法国的是在2007年。第一批来自英国的时间是2010年。

核能发电量约占日本电力总量的三分之一，通过处理乏燃料形成铀钚循环来提高效率，这是日本在能源方面最大化利用的资源的一个缩影。日本实现了在2010年前让它的53座反应堆中的三分之一使用铀钚混合氧化燃料（MOX)。

分离核废物，特别是几乎包含了乏燃料中的所有放射性的高放废物（放射性很强），把其中的铀和钚提取出来做成新的燃料。尽管如此，分离过的高放废物中依然存在约3%的乏燃料。

1977年到1978年，总共有十家日本企业与法国公司阿海珐签署了再处理乏燃料的合同，同时也与英国核燃料有限公司签订处理乏燃料的合同，现在由英国政府的核退役管理局执行。约40％乏燃料的再处理是由阿海珐承担的，其余由核燃料有限公司承担。

从1969到1990年，约有2940吨、4100吨的乏燃料分别海运到了法国和英国进行处理。到2007年中期，超过2600吨的乏燃料已经被处理了。

法国在2004年完成了这些日本乏燃料的处理，处理过程中分离出的高放废物被运回日本Rokkasho做终处理前的长期存放，英国预计会在2016年前完成处理。

目前，日本已经有一个小型再处理厂（210吨/年）在Tokai运行，一个更大再处理厂（800吨/年）已经在Rokkasho修建好了，目前正在调试中。一个年产130吨的MOX燃料制造厂在Rokkasho建立，并于2012年进入运行。

运回高放废物

1995年2月，第一批装满12艘轮船的玻璃化高放废物从法国运回了日本，最后一批是在2007年。这些废物属于保管和进行终处理的10家日本企业。这12艘轮船装有1310个罐子，包含了约700吨的玻璃化高放废物。这些罐子是由很结实的轮船运送的（详见海洋运输部分）。

从英国运回日本的玻璃化高放废物最早开始于2010年，大约要花8-10年的时间海运11艘装有900个罐子的轮船。在玻璃化废物返回计划中，为了减少运输的体积，在放射性总量守恒基础上，一部分较大体积的中放废物被浓缩成高放废物。从法国船运回日本的废物正在按计划进行，第二批到达日本是时间是2011年2月，第三批是2013年2月。

这些废物被Rokkasho的处理工厂所接收，该工厂能够存放2880个罐子的废物，截止2013年底，该工厂已经有1442个罐子，其中的1319个来自La Hague.

回收钚和使用氧化燃料

1993年，第一批来自再处理回收的核材料生产的新燃料运达了日本。这些新燃料包含了30%的Pu-240,它只可以用作核能发电，不能用来造核武器。

钚被回收来制作混合氧化燃料，钚和贫化铀混合在一起造出新燃料元件来放入反应堆发电。混合氧化燃料已经在多个反应堆中用来发电了。其中1999年的部分混合氧化燃料由于质量原因在2002年退还到英国。

在1999和2001年，有60组混合氧化燃料组件在Tepco’s Fukishima I-3和Kashiwazaki-Kariwa 3 BWR 反应堆中使用；2009年，有24、28和16组混合燃料组件，分别在Shikoku’s Ikata 3、 Chubu’s Hamaoka 和Kyushu’s Genkai 3.反应堆中使用；2013年来自法国的20组混合燃料组件在Kansai’s Takahama-3 反应堆中使用。

被分离废物的玻璃化

为了安全储存和运输，再处理过程中的被分离出来的高放废物需要玻璃化处理，即将废物和硼硅玻璃熔液混合倒入1.3m高的不锈钢罐子中，冷却后，这些废物就被封在玻璃基质中，然后把不锈钢盖子焊接牢靠。

每个罐子重达400千克，包含150L的废物和玻璃的混合物，其中约14%是高放废物，这些14%的高放废物是再处理中2吨乏燃料浓缩的。储存数年后，这些混合物的热功率会降低到1.5千瓦以下。

海洋运输

这些装有高放废物的不锈钢罐子被装在特殊设计的大桶里，这个大桶具有很强的屏蔽能力。一个桶能够装下28个罐子的玻璃化废物。这些桶与从日本运往欧洲装乏燃料的桶是相似的。

运输用的船是专门为运输核材料设计的双层船，有104米长，5100吨重。这些船属于英籍的太平洋核运输公司，已经被签约用于运输玻璃化废物，它符合相关的国际安全标准。它能够运输高放材料比如高放废物、乏燃料、混合氧化燃料和钚。截止2007，在30年间太平洋核运输公司已经安全运输了170次，总路程达到800万公里。该公司目前被三家企业控股：国际核服务集团（62.5%）、日本公用事业（25%）和阿海珐（12.5%）。