核乏料

核乏料就是在反應堆內使用過後卸出的核燃料，也被稱為乏燃料或者乏料。與之混淆的是核廢料，泛指具有放射性的廢料，在使用中通常特指核乏料中的次錒系核素和裂變產物。特別值得強調的是，這些所謂的“廢料”其實是非常珍貴的材料，屬於“未被利用的資源”。

基本介紹

• 中文名：核乏料
• 產生位置：反應堆
• 類型：核燃料
• 別稱：乏燃料或者乏料

三類成分

一般而言，核乏料（由於快中子反應堆尚未商用化，這裡指的是熱中子反應堆的核乏料）中均含有三大類成分：

[1]大量難以燃燒的鈾-238（238U，它可以在快中子堆中進行燃燒）；

[2]少量未經燃燒（在核反應堆中的燃燒就是參與核裂變反應）的鈾-235（235U）；

[3]少量新產物，包括：⑴鈽-239（239Pu），也是一種易裂變材料；⑵次錒系核素鎿（237Np）、鎇（241Am，242mAm，243Am）、鋦（243Cm，244Cm，245Cm）等；⑶裂變產物（包括部分裂變產物的衰變子體）如氪（85Kr）、鍶（89Sr， 90Sr）、釔（90Y，91Y）、鋯（95Zr）、鈮（95Nb）、鉬（95Mo）、鎝（99Tc）、釕（103Ru，106Ru）、銠（106Rh）、鈀（107Pd）、錫（126Sn）、碘（129I，131I）、氙（133Xe）、銫（135Cs，137Cs）、鈰（141Ce，144Ce）、鐠（144Pr）、釹（144Nd）、鉕（144Pm）等。

根據反應堆核燃料組分和燃耗的不同，核乏料中上述三類成分的比重也相應地有所不同。以核燃料濃縮度約3%、燃耗約33000MWd/t為例，核乏料中的238U接近97%，235U約1%，新產物約2%。

處理方法

核乏料的處理是整個核燃料循環中一個環節。國際上核燃料循環有三種方案，即一次通過、閉式循環和分離-嬗變，如圖所示。

一次通過

就是核燃料只通過核電站一次，乏燃料在卸出反應堆後，經過暫時貯存冷卻一段時間後進行包裝，作為廢物送入深地質層處置或長期貯存。該方案的特點是概念簡單，不會產生高純鈽，核擴散風險低。缺點是廢物放射性及毒性高，延續時間長達幾百萬年；鈾資源沒有得到有效利用。目前世界上選擇核燃料一次通過方案的主要國家有瑞典、加拿大和西班牙等。美國曾支持該方案並投入巨資修建了尤卡山地質處置庫，但在2009年9月美國國會中止了“尤卡山計畫”，轉向“閉式循環”方案。

一次通過

閉式循環

是指對核乏燃中所含的大部分有用核燃料（包括235U、238U和239Pu）通過後處理進行分離回收以循環利用，核燃料可多次通過核電站；同時把次錒系核素和裂變產物等長壽命高放射性的核廢料進行地質貯存。這種方案費用可能較高，存在核擴散的風險，但可提高鈾資源的利用率，同時大幅度減小需地質貯存的核廢料的體積。除美國外，採取閉式循環的國家主要還有法國、英國、俄羅斯、日本和印度等，我國也將採用這種方案。閉式循環方案的分離工藝技術和核燃料循環利用技術等關鍵的工藝技術還處在進一步研究完善之中。

閉式循環

分離嬗變

“分離-嬗變”是指在閉式循環的分離基礎上，利用核嬗變反應（原子核通過人工核反應而轉變成另一種原子核）對次錒系核素和裂變產物等長壽命高放射性的核廢料進行進一步的處理，使需要地質貯存的核廢料的放射性壽命由原來的數百萬年降低到約700年，同時再次大幅度減小其體積。必須指出的是，該方案中的嬗變技術（如加速器驅動的次臨界系統，即ADS系統）在國際上仍處在關鍵技術攻關和小規模驗證裝置研究的前期階段。

分離-嬗變

長壽命高放射性核廢料的地質貯存，通常首先要將核廢料製成玻璃化的固體使放射性核素難以遷移，然後將玻璃固體裝入可禁止輻射的金屬罐中，最後將這些金屬罐送入位於地下500~1000米的處置庫內，地質處置庫應至少能在10萬年內保證安全。

日本困局

日本傷痕累累的核工業終於恢復元氣，但又產生了一個惱人的新問題：即如何處理核乏料？2011年日本東北大地震與海嘯引發的福島核電站事故曾導致48座反應堆全部停止運行，中央政府期待2015年春季重新恢復鹿兒島縣的兩座核電站。但批評人士指責稱，核乏料處理不確定性依然是籠罩在核工業上方的陰霾。

“日本在如何處理高層次核廢料問題方面依然身處困局。”日本原子力資料情報室反核人士Hideyuki Ban說，“應該在重啟反應堆之前先解決乏料的問題。”日本首相安倍晉三政府當局也承認挑戰確實存在。2014年提出的這項能源計畫推翻了此前政府提出的無核政策，而且在研究處理放射性廢料技術方面的延遲、事故以及掩蓋行為“已經在民眾中間產生了不信任感”。

日本在1966年啟動首座核電站時，預設了通過回收核乏料提取鈾和鈽並重新把它們套用到反應堆中，以減少需要埋藏到地下的放射性核乏料。在理論上，重新處理核乏料可以確保核燃料的供應，並讓處理核乏料變得更加簡便。但是半個世紀之後，沒有一種核乏料處理技術可以成熟套用。目前，日本已有1.7萬噸核乏料埋藏在全國各地反應堆冷卻池中，原計畫的核乏料處理廠遲遲未見啟動。處理核廢料被證明是“一個極複雜的方程式”， 日本京都大學核廢料專家Hajimu Yamana說。

由10家公用事業公司共同擁有的日本核燃料有限公司（JNFL）在本州島六所村的廢料處理設施於1993年動工，當時計畫4年後完成施工。但20年後，工程仍處於施工階段，新設備將利用在美國“曼哈頓計畫”中率先採用的鈽鈾氧化還原提取（PUREX）方法。JNFL選擇了用玻璃包裹廢棄物的設計方法——被稱為透明化處理過程。Yamana表示，日本選擇了一種存儲液體的陶瓷熔化透明處理過程，這種技術據稱比商業套用的金屬熔化技術擁有更加持久耐用、回收率更高的特點。但他表示，當中試放大之後，在熔融玻璃中處理混合在硝酸水溶液中的含有核廢料的化學物質被證明“極為複雜”。