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关于核循环 99%的人都不知道这些知识!


写给“太长不看”的缩写版

核循环厂不会对所在地造成任何“恐怖的”“影响子孙后代的”“不转不是中国人的”污染。同时,它对核能的清洁利用起着至关重要的作用。

这个项目合作方也挺靠谱的,是世界上核能利用领域非常厉害的公司。

当然,作为一座核设施,它需要有严格的安全管理办法和环评监管。本文将在文末列出一些相关国标供读者参考查阅。

如果你发现核循环厂有任何超标的环境影响或行政管理问题,请通过合法方式(比如电话投诉、网上投诉等)向环境部门、公安部门或者当地政府反映。也可以提起环保公益诉讼,对选址疑虑,可以申请听证。

不缩写但简洁好懂版

什么是核循环?

核循环,指的是核燃料从开采冶炼、在反应堆中反应(换成火电站的话也就是“烧”的过程)到乏燃料的冷却储存、后处理、回收利用以及废物处置的整套过程。以核电站反应堆为过程分界线,开采冶炼的过程被称为核循环前端,核燃料从反应堆里出来后经历的一系列过程则称为后端。

核循环项目=“核废料处理厂”?

目前在连云港引起巨大争议与反对的核循环厂,主要负责着核燃料循环后端。

传得沸沸扬扬的“核废料”实际上是“烧过一轮的核燃料”——乏燃料(试想你在公司被各种工作压榨过一轮,你也会觉得“乏”的),在这些乏燃料中,还有大量的裂变物质,而核循环厂的主要目的,就是把这些乏燃料进行再一次的富集处理,再将他们送回核电站继续“发光发热”。

这就好像你在被各种工作压榨过一轮以后,公司总是让你好好吃一顿歇一歇,恢复元气了再让你接着干,而不是在榨干了你的生产力后直接把你炒了。

所以港城人民说这是个“核废料处理厂”是不准确的。

所谓“核废料”就真的只是“废料”吗?

——当然不,大约有97%的乏燃料可以回收利用,重新回到核电站反应堆中,是为“循环”;只有大约3%会变成高放射性废物。

而高放射性废物这种真正的“废料”,会被送到指定地点填埋——我说“指定地点”可不是“就近”的意思,按国内目前的情况,大多数乏燃料都还在核电站的水池中静静安眠,而在未来,大部分不能回收的高放射性废物会经处理封存后送往荒无人烟的大漠中的处置厂。

另外根据@江苏网警 的微博,连云港只是这个核循环厂的候选厂址之一,江苏、广东、浙江、福建、甘肃、山东等全国六省市都在对这个项目进行激烈的争夺。

光说不练假把式,大家要反对也好要支持也好,总得先知道核循环厂是怎么工作的,下面我们来聊聊这个问题。

核循环厂怎么工作?

乏燃料后处理的两条路

上一节说到,乏燃料其实就是“烧”过一轮后火力没有那么猛的核燃料,有点像煤渣之于火电站(当然两者有相当大的不同),核燃料在反应堆里经过辐照产生了大量的裂变产物,因而放射性非常强。

从核电站里出来的乏燃料的大致组成是:95%的铀,1%的钚和4%的FP(裂变产物)。一般而言,这些乏燃料会首先在反应堆旁的冷却水池中待上五到十年,等那些放射性最强的、最不稳定的和放射性最短的元素都衰变完了以后,才会进行下一步的后处理。

铀和钚相信大家都不陌生,这两种元素以“能造原子弹”闻名——不过元素并不能说明什么,太阳还每天用氢——这种常见到你浑身上下都是的元素——来进行比原子弹爆炸激烈得多的核聚变反应呢。铀和钚也是核燃料的重要成分,乏燃料里含有这么多的铀和钚,因而也就有了两种不一样的处理方式。

弃疗法

——这个名字是我胡诌的,别信,它真正的名称叫一次通过(Once-through)方法。

这种“一次通过”方法的核心思想是:直接处置,长久存放。也就是乏燃料出来以后就不回收利用了,直接把这堆高放射性的“煤渣”打包(当然,这个“打包”用的包装是有规定的!有标准的!有纪律的!是专门的!),作为固体废弃物处置——一般是找个地质结构非常、非常、非常稳定的地方深埋。

一句话总结:这种办法就是“榨干你的劳动力后直接炒了你”。

一篇1994年的文章(张禄庆《世界铀市场的供求现状和核燃料循环决策浅析》)里谈到了美国的乏燃料后处理办法,就是典型的“一次通过”方法:

美国现有的24000吨乏燃料组件大部分暂存在核电厂的乏燃料水池里,其他存放在一种干式存放容器里。这种容器还有可能发展成为未来的乏燃料组件运输和最终储存容器。以后将采取地下深处永久存放的办法来处理。

不过这种办法对储存的地址要求非常苛刻。因为铀和钚的半衰期非常长——就是说从放射性物质完全变成没有放射性的物质需要的时间非常长——所以永久储存的安全期限是300到1000年。使用这种方法进行乏燃料后处理的代表国家有:瑞典、美国、加拿大。

循环(Recycle)法

全称是燃料闭合再循环方法,听着就很环保节约实际上也确实很环保节约的一种方法。采用这种办法的国家一般都是从军事领域开始进行核能利用的,因此掌握了成熟的核富集的方法,比如法国;当然也有一些因为有钱有技术,核电产业又是国民经济发展的重要支柱于是采用这种办法的国家,比如日本。

燃料闭合再循环的核心思想是回收铀、钚,再循环。

目前国际通行循环法流程是1954年美国在萨凡纳(Savannah)开发的Purex流程:

1. 将乏燃料解体

2. 用硝酸溶解成溶液

3. 用TBP萃取,使目标产物铀、钚与裂变产物分离,得到产物硝酸钚酰、硝酸铀酰

4. 硝酸钚酰溶液经过蒸发浓缩、草酸盐沉淀、煅烧,得到二氧化钚;硝酸铀酰溶液经过蒸发浓缩,AUC沉淀,煅烧还原得到二氧化铀产品

5. 得到的二氧化钚可以与二氧化铀制成混合陶瓷燃料(MOX)元件再循环于反应堆中

6. 得到的二氧化铀产品送至铀转化厂转化成六氟化铀,然后富集,再制成和燃料元件

我知道这个流程看起来挺乏味的……实在看不下去就跳过去算了,还在高中的同学们可以拿出做化学流程题的耐心来看看,比你们的题目应该简单多了。

循环法的优点非常明显,铀与钚的回收再利用将有效助力核电站运行,节约核燃料,仅产生少量的高放射性废物需要填埋处理。

但循环法的缺点也不能忽视:循环法会产生大量的废液,而这些废液的化学中和与处理,将是核循环厂需要面对的一个大挑战。

采用燃料闭合再循环方法的代表国家有:法国、英国、日本、俄罗斯。

而这次新闻的主角中法合作的核循环项目,正是采取燃料闭合再循环方法进行乏燃料处理的。

而项目的合作方——承担总体技术责任的法国阿海珐集团,在核能源建设领域称得上全球首屈一指,在乏燃料后处理上有丰富的经验,拥有超过45年的核设施运行经验。

中核集团在这个项目中负责建设,至于中国的基建能力,不吹不黑,什么水平大家都懂的。

一点题外话:事实上也有文章分出了第三种处理办法:等等看(Wait and See)……很多核能利用刚起步的国家是这么干的,不过这个办法显然比弃疗法都更像放弃治疗……

“可我还是担心不安全……”

——所以我们要专门开一节来讲讲核循环厂的安全问题,相信也是大家最最最关心,没有之一的问题。

核循环厂运行中的安全问题主要有两个:

核临界安全、核废物管理

稍微休整一下,我们下面要开始认真掰扯掰扯这两个主要问题啦。

核临界安全

核临界安全是核设施独有的一种安全因素,这一安全因素来源于链式反应——一枚中子打中一个铀-235原子核,生成的铀-236衰变后放出两个或三个中子,这些中子继续轰击其他铀-235原子核,如此循环,生生不息。

在核武器里,这种链式反应是不加控制的,被轰击的原子以几何级数增长(学过点数学的都知道几何级数增长有多厉害),于是有了威力巨大的原子弹。

然而在核电站反应堆里就不一样啦。首先,反应堆中铀的丰度只有3%,相比于核武器90%以上的铀,显然是极低的;其次,在核反应堆中,铀-236衰变放出的中子并不会全部都与下一个原子核反应,它们会被吸收掉大半,最后的效果就像是一个原子核只放出一个中子继续与下面的原子核反应,一环扣一环,稳定持续地进行核反应。

聪明的读者朋友们一定看出来了,维持核电站正常运行,就必须控制好“放出”的中子数,如果太多,就会以几何级数速度反应,一发不可收拾,如果太少,反应就会越来越弱,直至完全无法进行下去。

而这恰好能维持链式反应继续进行的条件,就是临界条件。

在反应堆中我们要维持临界条件,但是对于其他工艺流程来说,避免临界条件的出现,严防超临界事故的发生则是保证安全的重要条件。

特别是在核循环厂,这种有铀富集过程进行的地方,核临界安全自然是重中之重。

在国内,核临界安全标准遵守所谓“双偶然原则”,这项原则要求,任何单一的“不太可能发生的偶然事件”都不能导致超临界事故的发生。

“不太可能发生的偶然事件”听上去非常扯,但它真的有一个计量标准——当一个事件的发生概率在每年百分之一到每年万分之一之间时,称之为“不太可能发生的偶然事件”。

那么,按照双偶然原则,单一不太可能发生的偶然事件(说真的它有没有一个缩写,这名词也太长了……)不能造成超临界事故发生,那么我们来简单算一算,一年里发生超临界事故的概率是多少?

答案是十万分之一到亿分之一。

高中数学老师告诉我们两个独立事件同时发生的时候概率要相乘的。

所以,“万一发生了呢?”这种提问是不对的!应该问——“亿一发生了呢?”

我真诚地觉得,有这个心情操心亿一发生的事情,不如留心一下走在路上不要玩手机,容易掉坑里或者被车蹭到。

保障核临界安全就是一向非常专业的事情了。一般来说,应用几何控制——通过限制尺寸、控制材料的几何形状来提供安全可靠的裂变材料容器、贮罐和导流系统和用中子吸收体进行控制是两种最常见的办法,有兴趣的朋友们可参阅阮可强等的《核临界安全》进一步了解。

核废物管理

这里的“核废物”就真的是没有回收价值,需要处理排放的废物了。

国际上通常把核废物分成三类,并且每一类都有各自对应的处理办法:

A类:含有短半衰期和低放射性水平的废物。这一类废物在短时间内就会衰变成为一般的废物,不再具有放射性,这种废物经过常规的物理和化学方法处理后就可以按照正常固体废物的流程排放了。

B类:含有长半衰期和中放射性水平的废物。这一类废物的来源主要是后处理过程中,也有些来自反应堆和燃料元件的制造过程。这类废物需要经过物理和化学方法处理和减容后,用水泥或者沥青固化,然后用带有屏蔽体的不锈钢容器包装,深埋在地质结构非常稳定、有专用工程建筑的的深井中。

必须强调的是它叫深井但是并不是喝水用的那种井!绝对不是!它也不通水!它只是通到很深很深的地下的一个通道而已!笔者真是怕了有些看到个井就觉得是污染地下水的人了……

C类:高放射性水平的废物,这类废物的来源主要就是乏燃料回收利用以后剩下了的那些含裂变产物的废物了。也是耸人听闻的坊间谣言中“让人断子绝孙变成怪物威胁子孙后代生存万恶不赦的核废料”的本体。这类废物经过物理和化学方法减容处理后,加入玻璃体熔炼使之成为浸出率很低的玻璃体,然后用带屏蔽体的不锈钢容器包装,贮存于地质结构非常稳定,有专用工程建筑的深井中,并且进行连续的监测和随机抽查以保证安全。

对C类废物的玻璃固化处理是一项非常专业,工艺非常复杂,地位也非常关键的技术。笔者对此也没有更深入的了解了,希望这方面的老师前辈看到拙文能不吝赐教。

对于固化之后的核废料地质掩埋,国际通行的办法是在深岩洞——比如岩盐和花岗岩岩洞中处置。也有例外,比如德国采用了废矿井处置的办法。目前比较前沿的办法还有在岩盐或者花岗岩中钻孔处置。这些用于地质掩埋的地方大多深300-1000米,不通水源,远离居民区,也没有地下资源。

也有不掩埋的办法,虽然目前这种办法还在实验阶段,这个办法就是核嬗变处理——ADS嬗变的研究工作据我所知是中科院高能物理所在做。上个月他们的ADS强流质子加速器注入器刚通过达标测试,在这里给高能所打个广告哈,大家可以关注一下。

总之,就算你所有的掩埋过程呀方法呀啥都没看懂,那么只要记住一点就好了:地质掩埋的种种工艺流程规范要求,都是奔着“保一万到十万年平安”去的。理论上,地质掩埋的处置库,甚至比天然铀床还要安全。

那些千奇百怪的问题,我来给你答案

首先声明,笔者只是某普通高校物理系本科生,所有知识都来自文献与课本,所有观点仅代表个人。

“在连云港建这个,把连云港作为试验田,将来有什么问题给后人借鉴?!牺牲连云港给后人警示吗!!”

上来第一个问题就不是很好回答,它看上去不是很像一个问句……

安全问题我在上面的章节里已经讲过了就不再赘述,说一说试验田的问题吧。

中法核循环项目确实是国内首例商用核循环项目,但并非“试验田”,国内第一座,也是唯一一座乏燃料中间处理工厂在中核404厂,位于甘肃。

其实核循环方向的研究早在我们国家研制核武的时候就在做了,然而由于历史原因,在六七十年代的时候完全被耽误了,耽误了以后就没怎么再做起来,八十年代以后有一些理论研究,都是靠科研人员自发自觉地在搞。

所以,虽然国家确定了要走“闭合再循环”的路子,但我们实际面临着又缺人又缺技术的状态。自主研发一直在做,但短期内要实现商用推广难度非常大,而另一条路——从国外引进成熟的技术,主要的难度在于钱。与法国的谈判从2008年就开始了,如今能谈下来,称得上是喜事一桩。

“国外从来不建核循环厂!我们为什么要建!”

事实上,中法核循环项目就是参照法国阿格核循环厂计划建设的……阿格核循环厂已经运行了二十多年,业绩良好,周围环境优美景色宜人(当然我也就看了看照片你非说我没亲眼见过我也没辙……),距离法国旅游胜地诺曼底不远。

我们为什么要建核循环厂呢,主要是因为这十几二十年来中国的核能工业正在蓬勃发展,在建与计划在建的核电站越来越多,404厂的中间处理站根本不足以处理那么多的乏燃料。一个更加严峻的事实是,我们正面临着第一代核设施全面退役的现状,这些退役的核设施也需要核循环项目承担消化。

我们等这样一个项目已经等得太久了。

“为什么一定要建在连云港?”

没有说一定要啊???不是还在选址吗???连云港不想要这个项目,还有其他地方想要呢,这种对环境友好不产生污染,还能发展旅游业还能拉动经济发展提供就业岗位的项目,多少地方等着啊。

“就问问核辐射你们怎么办谢谢。”

我手里的资料显示阿格核循环厂对周围环境放出的辐射是每年0.03毫希,这是个什么概念呢……嗯,坐飞机从北京飞欧洲,往返一次的辐射是0.04毫希;你脚下的土壤的辐射是每年0.15毫希;你每天吃的粮食蔬菜的辐射是每年0.25毫希。

“你们忘了三里岛和切尔诺贝利了吗?”

首先我希望大家翻到文章开头再重温一下核循环厂和核电站的区别。

然后这两起事故确实是很多人反对核能的时候经常要举的例子,要说起来又是一个儿子没娘说来话长的事了,之后笔者大概还会写个文章叫《前尘往事断肠诗:核电站和它这一路走来》仔细八一八核电站的历史发展与运行现状什么的,会讲到这些著名的核电站事故。不过笔者拖延症晚期,大家要多鞭策一下我才能写出来……

“既然法国先进,那为什么还要把核废料千里迢迢运到中国处理!”

呃……这位朋友你到底对中法核循环项目有什么误会……

假设项目最终落户连云港(虽然我觉得目前情况来看大概不可能了),优先服务的一定是田湾核电站。

田湾核电站目前有两台压水堆机组,未来打算在建四台,对乏燃料处理的需求本身就很大,加上连云港地理位置优越,本来会是一个很好的选址地点的。

再说一遍,地质掩埋不在核循环厂当地,不在!也没法在当地,因为几个大核电站都在沿海,地下到处都是水,没法埋。

最后,其实还真有国家打算接收其他国家的核废料进行掩埋的,今年二月Weinberg Next Nuclear发表了一篇文章,表示南澳大利亚正准备建设一个核废物地质处置厂,拟接收世界各地(尤其是没有能力进行核废料地质掩埋的国家)的核废料。

“混凝土只有一百年寿命,根本不可能保证核废料不泄露!地下那么高的放射性你睡得安稳吗?”

谁告诉您用混凝土封的???

请翻回“核废物管理”一节把三类废物的处理办法高声朗读三遍,不要侮辱做固化处理的老师们的智商谢谢。

“第一,任何人为安全设计都经不住人为事故和自然灾害的袭击;第二,仅仅考虑40年运行周期的安全,而忽略20万年核废料的安全,简直笑话。”

第一,安全设计就是为了抵抗人为事故和自然灾害,不然你以为房屋抗震等级这种设计标准是怎么来的???

核设施的建设标准比起其他建筑标准要严苛得多,核循环厂那一堆国标不说,我拿核电站来举个例子,在临海地区的一般建筑抗风浪的等级大概是抗十年一遇百年一遇的风浪,也就是大概十多米高的浪吧,核电站的抗风浪等级是抗五百年一遇,什么概念呢,就是扛得住40米高的浪——你去临海地区问问,哪家动不动就见过40米高的浪的?

第二,虽然本人不是核工专业,但仍然可以不心虚地说,我们的核废料地质掩埋,可以保证处置库一万到十万年的安全。

我建议这位朋友——听说是位“环保学者”——回学校跟自己老师道个歉,书读成这样是挺丢人的。

“你说的都是理论,可是怎么保证不出问题呢?”

这个问题问得好。

在工程建设上,从选址到建设到验收,《建筑法》都规定了严格的监理制度,涉核工程的要求更加严格。监理就好像是老师督促你写作业,在工程进行中,要是你出了问题,或者有可能要出问题了,监理就会给你指出来让你改正,之后再改试卷,改完了还让你订正。

而在核循环厂运行的过程中,由环保部监管,环保部有个“低调”的ID,叫做“国家核安全局”,下面有个司“核安全管理司”,专门管核安全。国家还有专门立法《放射性污染防治法》,专门规定了核废料应该怎么管。

如果你对选址有疑虑,可以申请听证;如果觉得工程建设有猫腻,可以向当地建设部门举报;如果觉得核循环厂运行有问题,可以拨打环保热线12369!再不行,可以提出环保公益诉讼~

“难道这个项目就一点风险都没有?”

实事求是地说,有的,事实上每个环节都是风险。我前面也提到过,废液处理也是个问题,运输贮藏也很考验技术。

但经过这么多年的实践,我们已经知道了在哪些环节会有哪些风险,并且已经制定了相应的标准来预防这些风险。

希望对这些风险与标准有进一步了解的朋友们可以找找下面的文件:

GB/T4960.8-2008《核科学技术术语 放射性废物管理》

GB9133-1995《放射性废物的分类》

GB11929-2011《高水平放射性废液贮存厂房设计规定》

GB14500-2002《放射性废物管理规定》

EJ/T940-1995《核燃料后处理厂放射性废物管理技术规定》

此外,程琦福的《核燃料循环设施与放射性废物环境安全管理的实践与思考》也提到了许多核循环设施建设过程中应该遵循的标准,也对暂时有所欠缺的方面提出了建议。

核循环以外,一个普通高校的理科学生想说说心里话

我是在北京到广州的高铁上写完这篇文章的。朋友们刚开始给我看连云港的新闻的时候我还不以为意,后来看了很多很多的评论,觉得还是有必要写写这件事。

开始动笔时的想法大概是,如果我这个学物理都不站出来写点什么,就真的再没有人能站出来告诉大家,他们在反对的到底是个什么东西了。

我曾经跟朋友开玩笑说,核能这种对环境超级友好的清洁能源,给大家的最深印象竟然是污染与恐怖,实在是有点讽刺。

其实想想也挺心酸的。

每个学理工科的孩子多多少少都有那么一点儿推动科技进步造福人类社会的情结,他们学着最难的数学和最难的物理,蹲实验室蹲到凌晨,总是通宵,顶风冒雨,上山下地。

因为他们知道自己的专业是可以创造价值,为人类谋福祉的。

他们不怕苦,不怕累,不怕难,他们最怕的是,当他们学到一身本事准备投身事业的时候,忽然之间周围的人们都在说,你做的事情太可怕了,太恐怖了,你是想成为刽子手吗,你怎么能不为子孙后代负责呢。

还能说什么呢?唯余心寒而已。

核电站之于学物理的,转基因之于学生物的,PX厂之于学化工的,基站之于学通信的,皆是如此。

平心而论,谁家亲戚朋友里没个学这些专业的孩子啊。可是为什么谁都觉得我们四年六年甚至八年十年都在执着的专业领域,那些一本赛过一本厚的教科书,那些通宵达旦苦思冥想才会其真意的知识与实践,反倒比不上某些“砖家叫兽”的一句狗屁言论?

我们想要的只是,相信我们,放下偏见听我们说,就一句,请务必、务必听我们说:

我们发展科技是用来为人类谋福祉的,我们不是敌人,我们和你们同样希望自己的家乡与祖国变得越来越好。

给我们一点信任,给科学一点信任,好吗?


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