“玩转”中子,处理高放核废料的终极之道

中国核网 2019/06/17 22:40

来源:中子时代

普通垃圾已经使人们焦头烂额,更何况是带有极强放射性的核废料!它是牵动世人神经的永恒话题,一有风吹草动,便是头条新闻……妥善处理核废料尤其是高放废料,关乎核电发展,关乎社会稳定,更关乎人类赖以生存的环境,随着核电发展这一问题已经非常紧迫!解铃还需系铃人,高放核废料因中子而产生,只要中子玩得好,也可以消灭核废料。

高放核废料,核电站的致命遗产

高放核废料虽然仅占核电厂核废料总体积的3%,却包含着95%的放射性, 仅150公斤的这种高放废料,就需要整条长江130多年的水流量稀释,才能达到排放标准。 可以说是核电站产生的致命遗产,而且目前尚未有很好的处理和处置方案,亟需寻求能从根本上解决核废料危害的方法和技术。

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全世界的固态核废料及其分类

相比地质处置,中子嬗变才是终极破解之道

对高放核废料处理最简单粗暴的方法,是找个“与世隔绝”的地方将乏燃料挖坑埋掉。 但要保证数百万年的地质稳定和辐射安全,实在是难上加难。

那么有没有其他办法呢? 利用核反应把长寿命放射性核素转换成没有放射性、或半衰期很短的核素(即嬗变,Transmutation),让高放核废料能够在可控的时间内衰变到可接受水平,或许是最根本的解决之道。 在引发原子核嬗变的所有粒子中,中子是最为合适的,其理由有三:

  • 中子不带电,具有很长的射程,且与原子核间不存在库伦势垒;

  • 中子的核反应截面相比于其他粒子要大;

  • 能够实现比较高的通量密度,从而有利于保障嬗变的效率。

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实际上,上世纪中叶,就已经有科学家提出利用中子嬗变消灭高放核废料的思想,但目前仍存在着严峻挑战, 其根源在于核废料嬗变对中子的需求非常苛刻。

实现高效嬗变的关键,在于能否“玩转”中子

高放核废料的构成核素极其复杂,仅裂变产物就包含了元素周期表中从锌到镧系元素的所有元素。一般的长寿命裂变产物如锝-99、锡-126、硒-79、锆-93、铯-135、钯-107、碘-129等可以实现和锕系核素的分离后再嬗变,但镧系裂变产物具有和锕系元素非常相似的化学性质,对这两者进行分离是一大世界级难题。 由于每种核素对不同能量中子的需求相差很大,因此对中子调控的要求非常高。

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对于长寿命裂变产物,一般需要通过中子俘获反应,即通过吸收中子来变成稳定核素或短寿命核素。 大部分核素在热中子(0.025电子伏)及能量更小的中子环境下俘获反应概率最高,但是有的核素如碘-129、铯-135等则是在超热中子(1~10电子伏)环境下的俘获反应概率最高。

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对于次锕系核素(指乏燃料中除铀和钚之外的锕系元素),其吸收中子后,同时可能发生俘获反应,也可能发生裂变反应。 在较高能量的快中子(高于0.1兆电子伏)环境下,锕系核素的俘获/裂变反应概率的比值较小, 有利于裂变反应的发生,从而直接转换为短寿命或稳定核素,另外裂变反应会继续产生中子,有益于维持链式反应的进行。 而在热中子环境下,经过多次中子俘获反应之后变成易裂变核素再发生裂变反应才能实现嬗变, 这时耗费的中子较多,经济性较差。

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另外,值得指出的是,锕系核素裂变反应会产生一些长寿命裂变产物,俘获反应也会产生一些更高原子序数的锕系核素。只有处在合适的中子能谱下,长寿命裂变产物和锕系核素的混合物才能达到最佳的嬗变效果。

要调控中子以满足上述需求存在极大难度。 因为中子不带电,不能像带电粒子那样利用磁场进行约束,也不能利用电场进行加速或减速,而只能通过与其他材料原子核间的相互作用,利用中子输运规律,来实现中子能量和数量的调控。 目前已有的中子嬗变装置主要包括四类,它们在嬗变能力、可行性、安全性、经济性等方面各有优点,同时也存在着各种问题。

1

临界热堆: 从中子能量上说,热堆的中子能量小于0.03 eV,便于利用俘获反应嬗变碘-129、锝-99等长寿命裂变产物。但是由于普通热堆的中子通量密度较低( 1014/ cm2·s量级),而俘获反应是单纯消耗中子的, 因此嬗变效率很低,还会影响反应堆的安全性。 需要专门进行中子通量密度的调控,使其达到 1015/ cm2·s 量级才有较好的效果。

2

临界快堆: 中子能量较高,通量密度一般高达5× 1015/ cm2·s ,有利于嬗变次锕系元素。但是,随着次锕系核素的加入,会减小多普勒负反馈,并且堆芯的有效缓发中子份额和平均瞬发中子代时间都会有所减小,会对堆芯性能产生一系列不利于稳定、安全运行的影响。此外,快堆中子能谱较硬, 在进行长寿命裂变产物嬗变时需要合理地慢化靶组件中的能谱。

3

加速器/聚变驱动的次临界堆: 它们分别利用加速器产生的高能质子与靶材料反应或聚变反应堆堆芯的聚变反应,来产生高能中子。其平均中子能量比临界快堆更高,而且通量密度甚至能达到 1016/ cm2·s 量级,有利于嬗变次锕系元素。次临界堆的一个突出优点是安全性好,不易出现反应性事故。 但ADS系统对加速器要求高,聚变反应堆的实现也同样面临着等离子体物理等方面的困难。此外, 由于需要外源提供中子,次临界堆在经济性方面都比较差。

因此,如何更好地“玩转”中子进而实现高效嬗变仍是亟待研究一个重要课题。

为了更好的处理高放核废料,目前科学家们正在研究更高效的核素分离方法以分别进行不同核素的嬗变,同时也在探索不需要进行核素分离的嬗变方式等。甚至,目前已有科学家提出了一种新型反应堆概念,试图一次性的把核燃料全部燃烧完毕,而不需要卸出大量的高放核废料。

“合抱之木,生于毫末;九层之台,起于累土;千里之行,始于足下。”笔者坚信,随着科学和技术的发展,核废料的处理技术会越来越先进,越来越成熟,核能将成为人类最可靠的能源之一!

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