第４０卷第１Ｏ期 ２０１８年ｌＯ月 舰船科学技术 Ｖｏ１．４０．Ｎｏ．１Ｏ ｏｃｔ．．２０１８ ＳＨＩＰ ＳＣⅡ ＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮｏＬＯＧＹ 核能放射性污染研究 张晗，闰大海，刘鹏飞 （中国舰船研究院，北京１００１０１） 摘 要：随着我国核电站的快速发展，核能放射性污染成为人们关注的问题。本文研究分析了核燃料循环过 程中核废料的产生过程，以及科技进步对减少核废料的作用。 关键词：核能；放射性；污染；综述 中图分类号：Ｆ４０７．２３ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３４０４￣．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１８．１０．０１５ 文章编号：１６７２—７６４９（２０１８）１０—００７８—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｎｕｃｌｅａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ＺＨＡＮＧ Ｈａｎ，ＹＡＮ Ｄａ－ｈａｉ，ＬＩＵ Ｐｅｎｇ—ｆｅｉ （Ｃｈｉｎａ Ｓｈｉｐ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ａｃａｄｅｍｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｕｃｌｅａｒ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｉｎ Ｃｈｉｎａ，Ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｎｅｒｇｙ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｃｏｎｃｅｒｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｎｕｃｌｅａｒ ｗａｓｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｎｕｃｌｅａｒ ｆｕｅｌ ｃｙｃｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｎｕｃｌｅａｒ ｗａｓｔｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｕｃｌｅａｒ ｅｎｅｒｇｙ；ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ；ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ；ｒｅｖｉｅｗ ０ 引 言 核能有２个最典型的应用：一是它的和平利用 一一具有一定数目的质子和一定数目的中子的原子叫 做核素。元素是具有相同质子数（核电荷数）的同一 类原子的总称。质子数相同，而中子数不同（因此原 核电，二是它的军事应用一一核武器。 子量不同）的核素属于同一化学元素，在元素周期表 中占据相同的位置，叫做同位素。 目前已发现的元素有１ １ ８个，其中稳定元素 ８１个。核素约２ ０００余种，其中稳定核素约３００种。 原子序数在８４以上的核素均不稳定，会衰变为较轻的 稳定核素，具有放射性；原子序数在８３以下的核素， 绝大多数有稳定同位素［１］。 核能是原子核发生裂变或聚变时所释放的能量， 它比燃烧、炸药爆炸等化学反应所释放的能量大百万 倍以上。原子弹和核电站都采用核裂变原理，核聚变 在军事方面也已经取得了成功。１９５２年，美国和苏联 先后爆炸了氢弹，我国的第一颗氢弹于１９６７年爆炸成 功。核聚变反应堆一旦研制成功，可以为人类提供清 洁和取之不尽的能源。但有效控制核聚变还有许多难 题需要解决，目前没有实现工程化。本文重点讨论核 裂变放射性污染。 不稳定核素，也称为放射性核素，在自发衰变向 稳定态过渡，成为新核素的同时，会释放出一种或多 种电磁波或粒子，也称之为射线，主要包括ｏ【射线 （氦原子核）、ｐ射线（电子）和１，射线（光子），这 １ 放射性的本质 １８９５年，德国物理学家伦琴发现了ｘ射线。ｘ射 线是波长很短、能量很大的电磁波，具有波动性的一 切特点。１８９８年，法国物理学家居里夫人从铀矿中发 现了新元素钋，４年后她又发现了镭。居里夫人建议 把物质能够自发发出射线的性质称为放射性。 收稿日期：２０１ ８—０５一Ｏ４ 种现象称为放射性。 ２ 核裂变能的应用 ２．１核裂变能 铀、钚等一些不稳定的核素能自发分裂成２～３个 原子核，释放２～３个中子，发出很大的能量，称为自 作者简介：张晗（１９８１～），女，高级工程师，主要从事船舶科技管理。 第４０卷 张晗，等：核能放射性污染研究 ·７９· 发裂变。由外来中子撞击产生的核素裂变，称为感生 裂变。 中子轰击铀．２３５或钚．２３９引起裂变： ｎ＋２。 Ｕ（或 ＂ｎ１）— １ ２＋ｖ，ｚ坩。 式中：ｎ是中子；Ａ１，Ａ２为裂变后的２个核碎片；ｖ是 每次裂变释放的中子数；Ｅ是每次裂变释放出的能量 （约为２００ ＭｅＶ，１ ＭｅＶ＝Ｉ．６ｘ１０ Ｊ，１ ＭｅＶ即１兆电 子伏特）ｉ２］。 ２．２裂变链式反应 一个中子引发铀原子核裂变时，会同时放出 ２～３个中子，如果释放出的中子再撞击其他铀核产生 裂变，会使裂变反应持续下去，称为链式裂变反应。 如果链式裂变反应不依靠外界的作用能持续下去，称 为自持链式裂变反应。根据一次裂变反应所直接引起 的反应次数平均小于、等于或大于ｌ，链式裂变反应 可分为次临界、临界和超临界３种状态。超临界状态 下，裂变链式反应不但可以自持，而且裂变的数目一 代代增加；次临界状态下，裂变数一代代减少，最终 裂变停止；临界状态下，每代裂变的原子核数保持一 致，链式反应可以自持下去。 ２．３原子弹 原子弹利用９０％以上高浓缩铀．２３５或钚．２３９等易 裂变物质为燃料，在不可控的超临界状态下进行裂变 链式反应。 １ ｋｇ铀．２３５有２．５×ｌ０ 个原子核，全部裂变释放的 能量 Ｗ＝２．５ｘ１０ ｘ２００￣１．６×１０‘ ＝８×１０ Ｊ。 １ ｋｇＴＮＴ炸药爆炸释放４．１９ｘ１０ Ｊ的化学能，１ ｋｇ 核材料全部裂变释放的能量约为２万吨ＴＮＴ炸药释放 的能量 。 ２．４核裂变反应堆 核能的和平利用比其军事应用要晚，原因之一是 核能要真正被利用，必须要使核裂变反应连续、可控 地进行，难度更大。 核反应堆不能像原子弹一样使用高浓缩铀．２３５， 因为其临界体积太小，裂变不易控制。一般使用 ５％左右的浓缩铀，这样可以大大增加临界体积，达到 施加控制、实现核能缓慢释放的目的［３］。 铀裂变释放出来的中子能量高，为１．２ ＭｅＶ。而实 验证明能量为０．０２５ ｅＶ的中子（热中子）最容易引发 铀．２３５的裂变。反应堆使用普通水、重水、石墨等慢 化剂来慢化中子［４］。近来研制的快中子反应堆（快 堆），使用２０％～３０％以上的浓缩铀，不再使用慢化剂。 ３ 核废料的产生过程 制造原子弹和发展核电都会产生核废料。核电站 和原子弹用于裂变反应的燃料是铀，对铀的利用是一 个庞大的核燃料循环系统工程。压水堆铀燃料循环的 主要工艺流程如图１所示。 图１压水堆铀燃料循环主要工艺流程 Ｆｉｇ．１ Ｍａｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ ｏｆｕｒａｎｉｕｍ ｆｕｅｌ ｃｙｃｌｅ ｉｎ ＰＷＲ ３．１铀矿开采冶炼 铀在天然矿石中的含量很低，只要矿石中含铀率 在０．０５％以上就值得开采。铀矿开采冶炼过程中会产 生废气、废水和废渣等“三废”物质，具有一定的放 射性，影响和破坏周围生态环境。据统计，在我国， 每生产１ ｔ铀产生１ ２００—５ ０００ ｔ废石。截至２０ｌ０年 底，我国铀矿采掘出来的废石总量约为２．８×１０ ｔ；铀 水冶厂排出的尾砂量约３×１０ ｔｔｓ］。 铀废石、尾矿及废水中的放射性核素含量可比本 底高２～３个数量级，铀矿冶系统对公众集体剂量的贡 献约占整个核燃料循环系统对公众集体剂量贡献总量 的９３％ｔ 。 ３．２铀转化 铀转化是核燃料循环系统的重要环节，目的是把 天然铀等铀化物转化为六氟化铀，以便进行铀浓缩。 国内目前以５％左右的碳酸钠溶液对铀转化过程 中的含铀、氟尾气进行淋洗净化处理。以１ ０００ ｔＵ／ａ 的ＵＦ６转化量计，每年产生６０—７０ ｔ低放射性氟化钙 渣，５ ０００～６ ０００ ｍ 的低放射性废液，这些低放废物 目前采取暂时集中储存方式。随着生产规模的扩大， 储存压力增大【 。 ３．３铀浓缩 贫铀是核燃料加工产业链中铀浓缩生产环节的主 要副产品，其初级形态主要是贫化六氟化铀（ＤＵＦ ）。 从天然铀原料生产１ ｔ丰度为３％的浓缩铀，会产生约 ４．５ ｔ的ＤＵＦ６。浓缩铀丰度越高，产生的ＤＵＦ６越多［ｓ］。 全球铀浓缩工业化生产至今，累积存放了约２００万吨 贫铀，且多以贫化六氟化铀的形态暂存在钢制容器中【９】。 舰船科学技术 第４０卷 ＤＵＦ 具有放射性和化学毒性，一旦泄漏危害很大，需 要重视其安全管理和处置问题，开展应用转化等方面 的研究。 ３．４核燃料元件制造 ４ 核废料及其处理 核废料泛指在核燃料生产、加工和核反应堆用过 的不再需要的并具有放射性的废料【ｌ ，根据放射性水 平可分为中低放射性核废料和高放射性核废料。核废 料中的大部分都是中低放射性废料。高放废料含有核 反应堆产生的核裂变产物和超铀元素，放射性占核电 站所产生的全部放射性的９５％还多。 核废料难以循环再利用且具有长期危害性，特别 是半衰期长的核废料危害持续时间长，处理困难。美 核化工转化是核燃料元件制造过程中产生废物的 主要环节。目前核化工转化主要采用ＡＤＵ（Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｄｉｕｒａｎａｔｅ）湿法生产和ＩＤＲ（Ｉｎｔｅｒｒａｔｅｄ Ｄｒｙ Ｒｅａｃｔｏｒ）干 法生产等工艺。ＡＤＵ湿法生产工艺目前被美、Ｅｌ等国 广泛使用，技术成熟、可靠，生产能力强，但需要处 理放射性废液；ＩＤＲ干法生产工艺流程短，产生的废 液少，对环境污染小。目前我国核燃料元件生产线产 生的放射性废物包括液态、固态、气态３种形式，由 于国内废物焚烧技术和不可燃废物处置技术不成熟， 生产厂内暂存大量放射性固体废物，存在较大的环境 安全隐患『ｌｏ］。 ３．５核反应堆运行 核反应堆是可控的链式裂变反应装置，其运行时 会产生各种放射性物质，主要包括：核裂变产物、感 生放射性物质和未反应的核装料等。 ３．５．１核裂变产物 研究表明，核反应堆工作时，热中子轰击铀．２３５ 发生裂变时，１个铀一２３５至少有６０种不同分裂途径， 裂变碎片有１２０多种…］。 核反应堆正常运行过程中产生的裂变产物绝大部 分包容在燃料元件的包壳内，但仍有极少量会泄漏到 一回路冷却剂中。同时反应堆运行过程中会形成中子 活化产物。这些裂变产物和活化产物是反应堆冷却剂 中的放射源，会通过冷却剂的净化等过程污染二回路。 因此，核反应堆的放射性废液根源是一回路冷却剂＿１２］。 ３．５．２感生放射性物质 感生放射性是指原本稳定的材料因接受了特殊的 辐射而产生的放射性，也是一种人工放射性。中子活 化是感生放射性的主要形式。当自由中子被原子核俘 获时会形成新的同位素，这种同位素不一定稳定，它 的性质取决于原来的元素。一些核反应堆会产生高能 中子流，能引发感生放射性。这些反应堆的组件也会 因为受到强烈辐射而具有很强的放射性，感生放射性 会增加核废料的数量。 ３．５－３未反应的核装料 核反应堆进行的裂变反应一般只能利用成品料的 １％～２％，其余９８％～９９％的残留物被视为贫铀，当作 核废料处理［１３］。 俄等国２Ｏ世纪４０年代便开始对中、低放射性废物的 地质处置进行研究，目前普遍采用陆地浅埋法、废矿 井处置法、深地质处置法等比较成熟的处置方案。高 放射性废物所含辐射体寿命长、放射性强、衰变热 多，对处置方法和地点要求高。目前存储高放废物进 入实施阶段的只有深地质处置法。总体来说，高放废 物的处理仍处于探索阶段 。 核反应堆中经过辐射照射，不能继续使用的核燃 料叫乏燃料，属于高放废料。来自世界核学会的数据 显示：占比３％的高放废料贡献了９５％的放射性［１６］。 国际上有２种处理乏燃料的方法：一种是法国、英 国、Ｅｔ本、印度等采用的“闭式核燃料循环”，对乏 燃料进行后处理，回收铀和钚进行重复利用；一种是 美国、西班牙、瑞典等采用的“开式核燃料循环”， 不对乏燃料进行后处理，直接永久贮存。 要分离出乏燃料中未裂变的铀．２３５和新生成的钚一 ２３９，需对乏燃料进行后处理。乏燃料中９９．９％以上的 裂变物在后处理过程中进入硝酸萃取液中，形成高放 射性废液。后处理过程还产生大量低、中放射性废 物。据统计，乏燃料后处理过程中产生的核废物体积 是原乏燃料体积的１６０倍。例如，体积为４ ｍ 的乏燃 料经后处理后，可产生低、中、高放废物的体积分别 为６００ ｍ ，４０ ｍ３和２．５ ｍ３。 ５ 科技进步对核放射性污染的影响 科技进步逐步减少了核废料的数量。 生产１ ｔ铀金属，传统工艺产生数百吨放射性固体 废渣，１万吨废水，５×１０ Ｂｑ（Ｂｑ即贝克勒尔，当放 射性元素每秒有一个原子发生衰变时，其活度即为 １ Ｂｑ）氡气；而地浸法产生的放射性固体废渣只有几 千克。采用原地爆破浸出工艺，８０％～８５％的铀矿石 留在原地作浸出处理，生产工序简单，废石与废水对 地表的污染少『１７】。 气体扩散技术和气体离心技术是实现工业化应用 的２种铀浓缩技术。气体扩散技术可靠耐用，但耗电 第４０卷 张晗，等：核能放射性污染研究 ·８１· 量大、成本高，逐步被能耗低、经济性好的气体离心 技术所替代。激光铀浓缩技术被认为是最有可能实现 工业化应用的更为先进的铀浓缩技术，可以更加充分 地利用铀资源。 目前全球运行的核电机组主要有６种类型，分别 为压水堆、沸水堆、重水压水堆、气冷堆、轻水冷却 石墨慢化堆和快堆。据２０１４年对全球运行的４３８个核 电机组的统计，目前全球核电市场以压水堆为主，占 ６３．２％；其次为沸水堆和重水压水堆，分别占１８．３％和 １１．２％ｔ ］。从原型堆到压水堆、沸水堆、重水堆，再到 ＡＰ１０００、欧洲压水堆和先进沸水堆，反应堆功率大幅 度提高。 ２０１１年Ｅｔ本福岛和１９８６年苏联切尔诺贝利的沸水 堆核事故，促使各国不断改进技术，逐步提高核电站 的安全性。近年来，快中子堆等核能技术发展迅速， 显著提高了核反应堆的运行安全性和铀资源的利用 率，但仍然缺乏对核燃料循环的全盘规划，不能解决 核废料的安全处置等核心问题。 ６ 结 语 核电是否安全、清洁、经济，既要与煤电、水 电、风电等进行横向比较，更要认真分析研究核燃料 循环的全寿期过程。核废料永久处理是一个世界性难 题，迄今为止，人们还没有找到安全、永久处理存放 核废料的好办法。 参考文献： ［１】马学昌．地壳运动驱动力的探讨——核能与地球演化［Ｊ］．地 质学报，２０１６（１）：２４＿３６． ＭＡ Ｘｕｅ－ｃｈａｎｇ．Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｃｒｕｓｔａｌ ｍｏｖｅｍｅｎｔ：ｎｕｃｌｅａｒ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｅａｒｔｈ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｃｔａ 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