讲座题目：透视新科技——上海世界科学家论坛 • 核废料处理

主 持 人：胜 春

做客嘉宾：石伟群，中国科学院高能物理研究所研究员。

任 冰，中国原子能科学研究院教师。

讲座时间：2023年元月30日～2月5日

讲座内容：

各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。一提到清洁能源，很多人都会想到太阳能、风能，其实我们今天要聊的核能，也是一种清洁能源。那可能有人就会问了，说核能使用的时候会产生核废料，怎么能算是清洁能源呢？我们先通过一段短片去了解一下。人类在掌握核裂变的相关原理后，研制出了核电站。虽然核能发电与火电一样，都是产生热量推动汽轮机发电，但是核电却与风能、太阳能一样，都属于清洁能源，这首先是因为核能发电不产生温室气体。据统计，同样是100万千瓦的装机容量，火电厂所需燃料每天需要一列40节的火车运送。而核电站所需燃料一年只需一辆重卡运送，使用燃料少，产生的废弃物自然也很少，但是这少量的废弃物，却有着很高的放射性。那么，核废料该如何处理呢？好，短片过后，欢迎回到我们的演播室当中。我们首先给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，这位是中国科学院高能物理研究所的研究员石伟群，欢迎您！主持人好！观众朋友，大家好！接下来一位，是来自中国原子能科学研究院的任冰，欢迎您！主持人好！观众朋友们，大家好！今天，我们说的是关于核废料的处理，首先，我们还是要简单地给大家普及一下概念，核是什么？废料又是什么？

这个核呢，它是一个广义的概念。实际上我们通常指的就是原子核、核反应，那么核废料通常指的是什么东西？就是核工业活动，尤其是跟燃料，核燃料相关的这些工业活动，产生的这些放射性的废料。但是从我们这个行当来说，我们又叫核废料为乏燃料。那么，为什么叫乏燃料，因为从反应堆里卸出来的燃料，它就已经没有劲了，就不能在这堆里面继续燃烧的话，已经没有经济性或者可靠性稳定性都已经不妥了，所以把它拿出来，它已经没劲了，所以叫乏燃料。这个核废料是如何产生的？我们现在核电站它所用的燃料就是二氧化铀，其主要成分就是3%到5%的铀235。把这个燃料放在反应堆中燃烧，当它使用一段时间之后，铀235就会减少，当它含量降到1%的时候，链式反应它就已经乏力，就是这个链式反应乏力了。链式反应不能再进行下去，相当于铀235的含量，不能再支持提供它这个能量了，这个时候就要把核燃料从核电站中取出来，就是您说的核废料，那是我们业内称它为乏燃料。核废料就是核燃料经过核裂变反应后剩余的产物，但核裂变反应有一个独特之处，反应前只有二氧化铀一种物质，但反应后却会产生五十多种新元素，几乎占据了半个元素周期表，而同位素更是多达几百种。

这其中既有氦氖等惰性气体元素，也有镧铈等稀土元素，更有铀钚等放射性元素，种类繁多，性质复杂。特别是其中的放射性元素，如果不加处理，任由其泄露出来，会造成严重的环境污染。那么，这些核废料该如何处理，才能保证其安全性呢？我们一说到处理核废料，很多人就想到了历史上，发生的很多的核灾难的事情。那么这个核废料我们怎么处理，为什么要处理它？我们把它用起来，它就不是核废料了，就是我们这个行当。我说了刚才就（叫）乏燃料，对不对。那么为什么要对这个乏燃料进行处理，主要是基于三个方面的考虑，首先第一个乏燃料里面大量的是可以重复回收利用的核资源，包括这个乏燃料里面大部分95%含量还是铀，含有95%的铀，量很高。这个铀是可以继续做成燃料，在这反应堆里循环利用的，把它当废料处理，就是从反应堆里取出来这个燃料，然后我们就把它埋起来，或者怎么（处理），就是不再用了的话。那么地球上的铀资源，它是只够我们用几十年，因为探明的铀矿产的储量，只够我们现有的反应堆。全世界现有的反应堆用几十年，但是乏燃料里面含有大量的铀，它的主要成分其实还是铀。我们要把它回收回来，再进一步地提取做成燃料，重新拿到反应堆里去工作，又把它制成燃料，就是继续发挥作用。所以说你不用它就是废料，你把它用起来，它就不是废料。

第二个通过回收，把里面关键的放射性的元素回收起来，可以大大降低废物的体积。还有第三个，就是可以降低它对环境的潜在威胁。乏燃料里面含有1%的铀235，其实可能公众认为1%量很少，事实情况是天然铀矿中铀235，它里面只有0.7%，那里面的大部分铀是铀238，占了差不多99.3%。首先第一点就是要从它的经济性考虑，我们要提高核废料的使用价值。铀是自然界中仅有的几种能发生核裂变的核燃料之一。自然界中平均每吨地壳物质中含有2.5克铀，然而它在各种岩石中的含量很不均匀，而且总是以化合状态存在。虽然铀的储量比金银等元素还高，但提取它的难度却比黄金、白银大得多，并且随着核工业的发展，世界各地的核电站对铀资源的需求快速增加。据统计，如果按照现在核电产业的发展速度，几十年后世界上的铀资源将被消耗殆尽。因此，当务之急是从核废料中提取出铀、钚等几种，能够作为核燃料的元素，满足未来的核能持续发展的需要。并且将这些具有放射性的元素提取出来后，将极大地减少核废料的体积，客观上减少了核废料对环境的潜在威胁。那么科学家是如何一步步处理核废料的？从核废料中提取的这些元素又有怎样的独特价值呢？

比如说，我们有100公斤（千克）的核废料，那我需要重新地利用处理，这里面有多少是我们可以重新利用的，有多少是完全不可回收的，是需要我们掩埋掉再做其他的处理的方式，能说出这个比例吗？这个涉及到分离工艺的事情，1吨的乏燃料，95%的还是二氧化铀，就是铀氧化物。1%的是增殖产物钚，就是钚239，还有0.1%的，就是比钚更重的这些元素，剩下来的就是裂变产物了，裂变产物大概4%-5%之间，它就是乏燃料的一个比例。当然你说如果不做处理的话，我可以算它的体积是吧，我把铀都捞出来了，肯定剩下体积就变少了，对不对？但是实际上我在做处理的时候，我要做化学分离，对不对。你会产生废液，在处理的过程当中也会产生废液，这个东西就很难算，是这么个意思。所以我刚才说的就是为什么要做乏燃料后处理，其实主要是两个目的。第一个是回收里面有用的锕系元素，这个铀资源是非常重要。其实除了铀钚这两种，可以用来发电的锕系元素之外，还有其他的我们国家有战略资源，可以从里面也来用的，比如说镎237，它能干什么呢？

可以用来做核电池，前一段时间发射的天问一号，我们发射月球的探测器，还可以利用太阳能，（但）是往火星发射的时候，太阳能已经不行了，这个时候就要用核电池。这个核电池用什么，用钚238的核电池，就是1公斤（千克）的钚238，它发热量（发热速度）大概是536瓦，我记得是。就相当于如果有1公斤（千克），钚238在这儿放着，就像你要烧一壶水很快就可以烧开。如果把它作为热源的话，所以这个电池威力很厉害。它半衰期88年，所以你到火星的距离是漫长而遥远的，对不对。那么在这个过程中要能量，所以核电池能给它提供足够的能量的支持。因为它半衰期很长又很稳定，占体积也不太大，是吧，这是我们重新可以回来利用的作为核电池。对，而且我还有很有意思的东西，你比如说除了锕系元素之外，它这个裂变产物里面还有很多有用的东西。裂变产物，我举个例子，你比如说钯贵金属，像日本这个国家，日本它（是）岛国是吧，它的资源比较贫乏，尤其它的贵金属，它都依赖进口。那么现在日本的科研机构，它们就做钯的回收，就从乏燃料里面回收钯，钯的含量有多少？1吨（1000千克）的乏燃料，大概有1.5公斤（千克）左右，它也要去做。因为钯很贵是吧，它做催化剂，就是化工行业都要用的这个东西，所以说这个废料，你把它用好了，它就不是废料了。

说到不可回收的这部分，我们最终用什么方式把它填埋，然后保证它不对环境造成影响。剩下的那部分放射性，我们采用的方法，现在业内采用的方法是玻璃固化，液体它就会在环境当中容易扩散，对不对。我把它做成固化体，把它放射性核素，放射性的这些东西把它固定起来，它在环境当中就不迁移了，而且还还要做各种屏障，就是说保证它在环境当中，迁移可能性非常低。举个例子，非洲加蓬共和国这个地方，在几十亿年前有一个史前的反应堆。在特殊的地理水文的情况下，这个反应堆就是可以工作的，它就可以启动的，到后来几十亿年的沧海变桑田对吧。那它反应堆就不工作了，现在这个地方就是一个遗址了。现在科学家经常到那个地方去考察，就发现那个地方的放射性的核素，它在环境中迁移，因为它没有任何保护，对不对。没有任何保护，它在环境中的迁移不过几十米远。你刚才举这个例子很有意思，让很多人都很感兴趣是吧。那几十亿年前，怎么可能出现那样一个核反应堆，那是一个天然形成的吗？天然形成的，就是当时铀235的含量比较高，在局部地区达到一定的（浓）度。就在特殊的水文情况下，它是可以（反应的），这个原理就比较复杂了。那看到了这样一个那么原始的核反应堆，对我们今天的核废料处理的启示是什么呢？就是公众应该相信科学家，就是说科学（家）总有办法，就是把放射性的废物，尤其是核废料，能够得到一个妥善的一个处理。

核废料中有很多的铀资源，而钚这种人工元素，更是只能在核废料中找到，所以在科研人员的眼中，核废料更像是一座待开发的矿藏，通过对其中铀钚等高价值元素提取并利用，极大地减小了核废料的体积和放射性，再经过最终的地底深层填埋处理，完全可以保证其安全性。核废料虽然在理论上具有极高的回收利用价值，但实际的回收处理工作却困难重重。那么核废料的处理究竟难在哪里？科学家们又是否能克服这些困难呢？说到了这个核废料的处理，我能感觉到两位身上对核废料处理的这种责任感和认真的程度，那它的难度到底在哪儿？核废料处理就是乏燃料后处理，它的挑战在于什么地方？新鲜的（核）燃料，就是没进堆之前的这个燃料，实际上放射性是很低的。就是二氧化铀，我刚说的，因为铀的半衰期，不管铀235也好，还是铀238也好，它半衰期都很长，而且它是纯阿尔法的一个放射性。阿尔法放射性一张纸就能挡住，只要你不吃到肚子里，啥事没有，肯定不会有问题的。就是说一般的核燃料厂，它的辐射防护的标准不需要做得太高。因为它没有危险，说穿了就是这样的，但是这个燃料进堆以后，经过核裂变以后，通过核反应以后，它的放射性成几何数量级的一个增长，强放射性。你不可能人再用手去接触它了，一定是机械手了，这个时候就换手了，机械手去操作了，在热室里面操作，就是有很好的一个防护的。比如说用铅把它防护起来，而且你要把它溶解，这个是很有挑战性的工作。怎么能溶解，要把它溶解在强酸性条件下，就是用的浓硝酸，所以做乏燃料的后处理，是在强辐射的作用下，强酸性条件下，各种的极端的条件都占全了，这个非常复杂。

核废料的处理，它具有高放射性，还有高腐蚀性，我们分别来说说对于这些它的特点，我们处理它的难度都体现在哪一方面。第一它强放射性，对不对？我使用的分离工艺对材料，首先对我分离工艺所使用的萃取剂，你要扛得住这个辐射，对不对。你强酸性条件下，你萃取剂也要扛得住强酸性条件下，它能工作对吧。而且对于设备的制造，相关的化工设备的制造也是很有挑战性的，所以说实际上乏燃料后处理就是人类目前所知最复杂，最有挑战性的化工分离工艺没有之一，它一定是最难的。因为它是强辐射场强酸性条件下，来分离这么多的放射性的元素，进堆的时候就二氧化铀，但是出堆的时候有50到60种元素。是人类最有挑战性的。最有挑战性的一项技术。这是因为你们在这个行业当中这样讲，还是整个科技界（都这样认为）？毫不夸张来说乏燃料的处理，它是在化工分离里面最具挑战性的。我刚才说了，乏燃料里面95%是铀，那么还有其他的你要回收，这里面还有0.1%的超钚元素，就比钚更重的这些元素0.1%，那也很重要把它提取出来，95%和0.1%这浓度差别得多大，浓度差别很大。你要把那低浓度的，就是含量很低的这些元素，你也要提取出来，所以这也是很有挑战的。在大量的一个物种里面，（提取）一个很少量的那个物种，也是很有挑战性。

对于处理难度，我举一个例子，就相当于是我们有一袋米，有一袋米。这一袋米里面有一个米粒上，有一个虫眼，然后我们想把有虫眼的米取出来。这个例子举得好，然后我们怎么操作呢？一般正常情况下，我们可以把米倒出来，然后在空调房里，我们坐着一粒一粒数，但是我们的后处理是怎么做的呢？我们是在炎热的夏天的一个大沙漠里面，这个米袋你不能给我倒出来，你要在沙漠里顶着烈日，然后在这个米袋里面去找这个带虫眼的米，然后其他米你还不能给我撒出来，这个难度就很大了。沙漠所对应的，你们处理的环境是什么？因为它是高放射性，我们要穿特有的防护服，包括我们实验场所里面也是非常密闭的，然后都很热。核废料的这种回收，我们国家这个程序是什么样的？从反应堆里卸出来的乏燃料，它就像煤球一样，我们知道烧炉子这个煤球，你烧到最后它还会发热，对不对，它不是马上就冷却了，所以你要搁到边上，让它冷却以后你再把它倒掉。乏燃料也一样，就是它从堆里拿出来的时候，它发热量还很大，所以要对它进行离堆的处置，离堆的贮存，就是把它放在乏燃料水池里面，用吊机把乏燃料从反应堆里吊出来以后，直接吊到乏燃料水池里面。用水、自然水不停地循环冷却，冷却了几年以后，等它的发热量比较低了，就可以运走了，进行干式的一个贮存，就是干燥的一个地方，像建一个粮仓一样，把这个乏燃料组件给挂起来，才最后进行回收处理，那么回收处理的过程，也是非常复杂的。乏燃料组件，你首先要进行剪切，剪切一小段一小段的，最后把它用强酸把它溶解，溶解到硝酸的一个体系当中，最后才能进行后面的回收处理。

核废料的处理之所以困难，首先在于其具有极强的放射性，不但人员要做好防护隔离，甚至进行操作的机械手也具有特殊的防辐射结构。其次，溶解核废料需要用到腐蚀性极强的浓硝酸，因此所有的工具、器皿甚至实验药剂都需要有极强的耐腐蚀性。第三，从核废料所提取的几种元素浓度相差近千倍，将这几种物质彼此分离开来，如同沙里淘金，不但需要极高的技术水平，还要耗费极大的精力。那么现在核废料处理情况如何呢？目前这个世界核废料处理的状况是什么样?我们国家又处在一个什么样的水准上？实际上对于核废料，我们就说乏燃料的处理，国际上存在两个观点，主流的观点，一个是对它进行处理，这些就是以法国、英国、中国这些国家为代表的，另外一个就是相反的观点，它是走着瞧，它先做研究，先不处理，先把它放起来，先把它贮存起来。保存起来。贮存起来，像美国它现在就是没有商业化的这种后处理厂，它的理念是什么？它能搞到这个铀资源，它能拿来铀资源，所以它觉得（以后）再研究是可以的。法国，它觉得它这个当初已经选择了做后处理，所以它有商业化的后处理大厂，年处理800吨的后处理大厂都有，它已经运行了几十年了，所以它的后处理这一块技术比较成熟。中国目前应该说这块技术发展也非常快，我们国家现在自己已经有中资厂（中间试验厂）了，后处理的中资厂（中间试验厂）年处理能力50吨，后面我们国家也正在建设更大的后处理厂。

这样对比下来，我们国家对核废料处理的宗旨原则是什么？宗旨和原则就是我们国家的国策，就是要回收，就是要对乏燃料进行后处理，这就是我们的政策，所以我们在建设相关的这些配套设施，建设后处理厂。刚才石老师说的，就是很具体很形象。其实两种方式，用我们业内的话，就是一种是闭式循环，一种是开式循环，什么意思？闭式循环就是回收。对，就是回收。经过后处理，我们以法国、中国、英国这些为主的就是闭式循环，就相当于它是一个闭合的环。就相当于是从核燃料开采油矿，然后开采出来制成核燃料，然后到反应堆中进行燃烧、使用，然后使用完之后我们再回收，像相当于我们刚才说的核废料，我们再回收利用起来，然后循环使用，可能把它再制成新的核燃料，就是现在快中子反应堆，就是这样循环使用回收来利用。我们提取出来的钚239，就是快中子反应堆，现在以钚239为燃料，然后周围还放一些铀238，天然中非常多的铀238，我们要把它利用起来。既要把天然中的很多铀238利用起来，又要把我们后处理提取出来的钚239，我们也要利用起来，这样的话就会大大提升铀资源的利用率。这就是我们做，相当于是闭式循环的一个宗旨，从我个人来看，以美国为主的这些国家选择的开式循环，它们可能是它们资源足够，可能它们担心成本。因为后处理成本这个是非常大的，当然了它们地广人稀有这个条件。

我国对核废料处理的原则，就是循环利用，从而解决核燃料稀缺的问题。而其中与之配套的重要一环，就是建设快中子堆核电站。与最常见的压水堆式核电站不同，它使用的是从核废料中提取的钚239和自然界中储量丰富的铀238。当钚239发生裂变时，会释放出快中子，这些快中子又会被铀238吸收，变成钚239，从而使快堆中的核燃料变多，推动核裂变持续下去。依靠快中子堆可以把通常不参与核反应的铀238利用起来，从而满足人类未来3000年的核燃料需求。2011年，我国自己的快中子堆建成并投入运营，标志着我国对核废料的综合利用迈上了新的高度，那么未来核废料的处理技术又会有怎样的突破呢？未来核废料处理技术会有哪些突破吗？两位能跟我们说一说吗？科技总是在进步，我们这个行业的这么多的学者专家都在努力，我相信后处理这一块，应该说目标，最后的目标就是还要讲究经济性，就是说因为商业后处理大厂，什么叫商业？就是民用的，没有经济性，别人就没有，没有冲动，去干这件事，就没有利用价值，所以把成本降下来了，主要发展方向首先是成本，我觉得。第二个，就是在工艺的可靠性上做一些，使工艺稳定性更好，安全性更高，总之就是更经济是吧，更安全更高效。就是这样一个工作，其实我在听两位在谈到，关于核废料处理的这件事情的时候，包括这项技术。首先，它具有一定的难度，也更具有挑战性，但之所以具有挑战性，就是它的利用价值很高，所以我们才不断地去探索。如何去回收和利用它？所以我特别想知道两位从业者和研究者，未来对它的核废料的回收技术的这个期待会是什么？理想的状态应该是什么样？

当然就是更便捷，不需要那些繁琐的程序，这个当然是我们期待的。然后，从安全性考虑把它放射性，性能降的越低越好，这个我想是所有我们核领域的学者共同的一个期待，也是公众的一个共同的期待。实际上，从物理学家的角度来说，或者反应堆专家，他也会提出一些新的概念。比如说行波堆，这是一个先进的反应堆，它的理念是什么？就是吃干榨净，就这样一个概念是吧。但是实际上这个概念，理论上它可行，但是它会受到材料的限制。因为很可能我们现在的材料和其他的工艺跟不上，满足不了这种需求，是吧。这是我们的一个梦想，实际上是，但是科技的进步，今后堆型设计得会更先进，是吧。我们考虑的各种因素考虑得更充分，材料也合格了，产生的废物量自然也就少了，是吧，这是第一点。那么从我们化学搞化工分离的人来说，我们肯定是要不断地改进工艺，使我们的回收更高效，刚才其实我已经说了，要首先降低成本，更高效它自然就降低成本了，对不对。然后产生的废物量一定要更小，事实上理想状态就是不产生这个废物，我把有用的东西拿出来对不对，这个肯定是我们追求的永恒的一个目标。好，今天，应该非常的感谢两位来到我们演播室当中，跟我们来探讨如何来处理回收核废料，也感谢各位收看我们今天的《透视新科技》节目。如果您想关注我们更多的节目，可以下载央视频。好了，感谢各位收看我们今天的《透视新科技》，我是胜春，咱们下期节目再见。