高放射性核废料——核电站的致命遗产

高放射性核废料虽然只占核电站核废料总量的3%，但却含有95%的放射性，仅这150公斤高放射性废料就需要整个长江130多年的水流才能稀释到达到排放标准。可以说是核电站的致命遗留问题，目前还没有很好的处理处置方案，迫切需要找到能够从根本上解决核废料危害的方法和技术。

全球固体核废料及其分类▲

与地质处置相比，中子嬗变才是最终的解决方案

处理高放射性核废料最简单粗暴的办法是在“与世隔绝”的地方挖坑埋掉乏燃料，但要保证百万年的地质稳定性和辐射安全，难度极大。

那么还有其他解决办法吗？利用核反应将长寿命的放射性核素转化为没有放射性或半衰期很短的核素（即嬗变），使高放射性核废料在可控的时间内衰变到可接受的水平，可能是最根本的解决办法。在所有能引起核嬗变的粒子中，中子是最适合的，原因有三：

其实在上个世纪中叶，就已经有科学家提出利用中子嬗变消除高放射性核废料的想法，但目前还面临严峻的挑战，根本原因就在于核废料嬗变对于中子的要求十分严苛。

实现高效嬗变的关键在于能否“玩”中子

组成高放核废料的核素极其复杂，仅裂变产物就包含了元素周期表中从锌到镧系的所有元素。一般长寿命裂变产物如锝-99、锡-126、硒-79、锆-93、铯-135、钯-107、碘-129等都可以从锕系核素中分离出来，然后进行嬗变，但镧系裂变产物的化学性质与锕系元素非常相似，将两者分离是世界级难题。由于每种核素对不同能量的中子需求有很大差异，对中子调控的要求非常高。

对于长寿命裂变产物，一般需要发生中子俘获反应，即吸收中子成为稳定核素或短寿命核素。大多数核素在热中子（0.025电子伏）和能量较低的中子中发生俘获反应的概率最高，但有些核素，如碘-129和铯-135，在超热中子（1至10电子伏）中发生俘获反应的概率最高。

对于次要锕系核素（乏燃料中除铀、钚以外的锕系元素）而言，吸收中子后，可能同时发生俘获反应和裂变反应。在高能快中子环境中（高于0.1MeV），锕系核素的俘获/裂变反应几率比较小，有利于发生裂变反应，从而直接转化为短寿命或稳定核素。而且裂变反应会不断产生中子，有利于维持链式反应。在热中子环境中，经过多次中子俘获反应，成为可裂变核素，再发生裂变反应，实现嬗变，此时消耗的中子较多，经济性较差。

此外，值得指出的是，锕系核素的裂变反应会产生一些长寿命的裂变产物，而俘获反应也会产生一些原子序数较高的锕系核素，只有在合适的中子能谱下，长寿命裂变产物与锕系核素的混合才能达到最佳的嬗变效果。

控制中子达到上述要求难度极大。由于中子不带电，既不能像带电粒子那样受到磁场约束，也不能被电场加速或减速，只能通过与其他物质原子核相互作用，利用中子输运规律来控制中子的能量和数量。目前，中子嬗变装置主要有四种类型，每种装置在嬗变能力、可行性、安全性、经济性等方面各有优势，但也存在各种问题。

临界热堆：从中子能量上看，热堆的中子能量小于0.03 eV，可以方便地利用俘获反应嬗变碘-129、锝-99等长寿命裂变产物。但由于普通热堆的中子通量密度较低（在1014/cm2·s量级），俘获反应只是单纯地消耗中子，嬗变效率很低，也会影响反应堆的安全性。需要有针对性地调控中子通量密度达到1015/cm2·s量级，才能取得较好的效果。

临界快堆：中子能量较高，通量密度一般高达5×1015/cm2·s，有利于次锕系核素的嬗变。但随着次锕系核素的加入，多普勒负反馈会降低，堆芯有效缓发中子分数和平均瞬发中子产生时间会降低，对堆芯性能产生一系列影响，不利于稳定安全运行。另外，快堆中子能谱比较硬，进行长寿命裂变产物嬗变时，靶组件内能谱需要合理减慢。

加速器/聚变驱动次临界反应堆：利用加速器产生的高能质子与靶材料发生反应或在聚变反应堆堆芯发生聚变反应，产生高能中子。中子平均能量比临界快堆高，通量密度甚至可以达到1016/cm2·s量级，有利于次锕系元素的嬗变。次临界反应堆的突出优点是安全性高，不易发生反应事故。但ADS系统对加速器要求高，聚变反应堆的实现也面临等离子体物理等方面的困难。另外，由于中子需要外源提供，次临界反应堆的经济性相对较差。

因此，如何更好地与中子“玩”起来，实现高效嬗变，仍是一个亟待研究的重要课题。

为了更好地处理高放射性核废料，目前科学家正在研究更有效的核素分离方法，分别对不同的核素进行嬗变，同时也在探索不需要核素分离的嬗变方法。事实上，一些科学家已经提出了一种新的反应堆概念，试图一次性燃烧所有核燃料，而无需卸载大量高放射性核废料。

“一棵两人能拥抱的大树，是从一粒小小的种子长成的；九层之塔，是从一堆泥土开始的；千里之行，始于足下。”作者坚信，随着科技的发展，核废料处理技术会越来越先进、越来越成熟，核能也会成为人类最可靠的能源之一！