核废料处理是世界级难题,中国这种技术环保又高效

subtitle 了不起的中国制造06-12 07:04 跟贴 6367 条
等离子体处理核废料的核心是等离子减容设备,经过等离子减容处理后,中低放射性核废料体积会大大减小,分装入桶后可以直接运到处置场。而对于高放射性核废料,等离子体离心具有质量过滤作用,可使其以更效方法进行玻璃化固化,保证更长久的稳定性。

出品| 网易新闻

作者| 鸿鹄,科技爱好者

核能作为一种有效的清洁能源,如何利用它体现了一个国家经济、工业和科技的综合实力水平。相比于欧美发达国家,中国核电技术的应用发展起步比较晚,直到1994年,第一座大型核电站——大亚湾核电站才开始投入商业运营。

不过,中国现在的核电技术发展已经驶入快车道,以华龙一号为例,中国自主研发的第三代核电技术已经开始出口国外,比国际社会领先一步,同时第四代核电技术也取得了很大的突破。

随着中国核电站数量的增加,也产生了大量的核废料,核废料处理的问题也日益显现,那么中国是如何应对这一问题的呢?先让我们从核能的开发利用说起。

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(一)在核燃料的提纯和使用过程中,核废料无处不在

既然核能是清洁能源,那为何还有核废料一说?

理论上,核电的发电效率高出火力非常多,同时核反应堆将热能转化为电能的过程是在一个闭环系统内进行,不产生任何污染气体。然而,在核能使用前后却会不可避免地产生一定量的核废料。

电站发电的实质是能量的转化,而核电的能量则来自于原子核的核反应:中子轰击铀-235核,使原子核分裂成两个质量较小的新原子核(核裂变反应),核质量的减少会产生巨大的能量。

而自然界的铀矿中,铀-235丰度是无法直接供核电站使用的,必须先用化学手段提纯。要想获得铀-235,必须先用化学手段提纯矿石的铀氧化物,这一过程会产生大量的化学废料,同时采矿过程中还产生了大量铀含量0.05%以下的放射性岩碴(它们因精炼成本过高而弃用),最后精炼的总过程产生了90%以上的各种核废料。

(核燃料棒的生产过程)

得到提纯的原料之后,还需要将铀-235从铀的众多同位素中分离处理,目前普遍的手段是将其变成气态氟化铀,然后离心出来,最后经过加工才能应用到核电站上,在这一过程中,又会产生新的核废料。

(核燃料棒)

当核燃料进入到反应堆中,铀-235经过连续链式裂变反应,释放能量。但目前人类的技术水平还无法将核燃料完全利用(早先的核技术一般只能利用成品料的1%-2%),加上铀元素裂变后的产物,这些残留物就成了高辐射的乏燃料。

最后,核电站的使用并非永久性的,其寿命一般在30年左右。到期退役的核电站需要进行拆除,拆除后的废炉碎块及其他反应堆配件,因为长期接触放射性物质,也具有一定的放射性,需要当作核废料处理。

(二)核废料处理三步走:分离、固化和储存

核废料的危害和其他放射性物质危害是类似的,首先是放射性核素,这些放射性核素如果泄漏,会进入空气、水源,或者吸附在生物表面,最终有可能通过饮食或呼吸进入人体,引起各类放射性疾病,造成人寿命的缩短。

同时,放射性物质会在衰变过程中辐射出高能射线,这些射线通过物质时,会发生电离和激发作用,对生物体引起辐射损伤,这种损伤可能会造成基因破坏,遗传给后代。

根据危害程度的不同,核废料的处置方式也有差异。

核废料按照放射性的强弱分为高、中、低放射性三类。高放射性核废料主要是发电后产生的乏燃料及其处理物;中低放射性核废料则是核电站的污染设备、检测设备,及运行时的水化系统、交换树脂、废水废液等。

中国对于这些核废料的处理严格按照国际原子能机构的要求。

(核废料的处理流程)

对于中低放射性核废料,无论是固体核废料还是液体核废料,首先需要进行固化处理,然后再封装到200升的特制不锈钢桶里,最后放在浅地层的处置库里。

而对于高放射核废料,首先要把它送到处置场进行玻璃固化,然后封装到可屏蔽辐射的金属罐中,最后深埋到更深的地层中(至少500米深),或者投入选定海域4000米以下的海底。

由于核废料的半衰期从数万年到10万年不等,因此处置库的地质条件必须保证其至少10万年内的安全。

(封装好的经过处理的核废料,及桶内固化好的核废料)

从上面可以看出,核废料处理的两大特点就是分离和固化。

分离有两步,首先是将核废料中无放射性的物质分离出来,将其体积缩小(高放射性废物的储存和化学方法玻璃化处理费用昂贵)。

对于有放射性的物质,需要利用化学手段,将其中长、短半衰期的元素分开。

半衰期短的元素,只需要让其自然衰减,就会变成无放射性的废料,再与正常的废料一起处理。

而半衰期长的废料,则需要分离出有利用价值的原料,并对于无法继续利用的废料进行固化,防止有辐射的物质泄漏,然后将其储存。

(核废料的分离过程要在特定装置内进行,以防放射性物质衰变产生放射性危害)

核废料的玻璃化就是将核废料固定到特殊的玻璃体内。玻璃体作为一种非晶态物质,对不同元素有着广泛的包容性,而且具有良好的耐久性,核废料中的大部分元素都可进入玻璃结构中,以原子尺度固化,这能有效保障其不向外界环境迁移,是目前安全处理核废料最有效的固化手段。

(玻璃固化核废料示意图:核废料均匀溶于玻璃结构体内和含有气泡和包裹物的玻璃固化体)

以往核废料的玻璃固化是直接在电加热炉中进行的,先将废料熔融,然后快速降温玻璃固化。玻璃固化能一定程度上减小废料的体积,降低核废料储存的空间成本。不过这种处理方法的成本较高,所以主要被用于高放射废料的最终处理。

而对于一个发电量100万千瓦的核电站,一年产生放射性废料在几十吨左右,超过99%的核废料是中低放射性废料。

一直以来,各核技术应用大国都在寻求一种更为经济有效的核废料处理方式,这种处理方式不仅可以安全处理高放射性核废料,也能更安全、经济、快速地处理中、低放射性核废料。等离子体处理技术应用于核废料处理的研究就是在这样的背景下诞生的。

(三)等离子技术一出手,分分钟搞定核废料和其他危险废物

等离子体由大量的高温高能粒子组成,处理废物的过程中,能够将废弃物中的分子分解、再组合,经过处理以后,有害物质被分解,重金属被分离开来,其余部分被熔融后固化成玻璃体。

(等离子体减容系统)

热等离子体处理技术具有高温、高能量密度、适用性广等特点,已经在焚烧飞灰、医疗垃圾、多氯联苯等危险废物处理领域获得了广泛应用,国内外的研究也证明,它在经过恰当改进以后是完全可以用于放射性废物处置的。

等离子体处理核废料的核心就是等离子减容设备,它一般包含了预处理、分选装置、减容装置(等离子体熔化炉)、冷却固化装置以及尾气处理等装置。通过预处理和分选装置,可以对金属和无机物进行大致分类,区分可燃物、难燃物和不燃物,并把废物中大块的进行破碎、分割处理。

然后进料器连续地向等离子体熔化炉供给废料,废料在炉中被分解、熔融,熔融物从炉底排放口中排出,接着在冷却固化装置中慢慢冷却。冷却固化后的废物,可以分装到核废料储存专用的200 L桶中。

最后的尾气处理系统,可以将处理产生的有害气体先进行二次燃烧室燃烧,然后再用脱硝装置消除氮氧化物、清洗塔除去氯化氢及二氧化硫,尾气中的放射性物质再用陶瓷过滤器和高效空气过滤器除去。燃烧完的废气经过冷却塔使气体快速冷却,还能有效防止二恶英等有害物质重新合成。经过上述处理,尾气可以直接排放到大气中。

经过等离子减容处理后,中低放射性核废料的体积会大大减小,分装入桶后可以直接运到处置场,而且核废料玻璃化以后更为安全,可以进一步做到完全处置。

(玻璃固化后的废料残渣)

相比燃料式熔融炉法(存在尾气量相对大、放射性核素挥发率高)、冷坩埚感应熔融炉法(处理量较小、需要多台装置并联运行)等方法的玻璃化过程,等离子处理技术的效率更高、产生尾气量低,而且对核废料的适用性更强,能够处理包括高熔点废物和金属在内的混合废料,使得该技术同样适用于中、低放射性核废料的处理。

不仅如此,等离子技术的兼容性更高,在引入等离子体离心机处理核废料新技术之后,等离子处理的优势进一步凸显。

等离子体离心具有质量过滤的作用,可以作为以往化学技术分离补充:通过将有害废弃物雾化并电离后,注入旋转过滤器,各个元素受到电场和磁场的影响不同,过滤器利用离心力和磁力将较轻、较重的元素分开。

较轻的元素通常比较重的元素放射性低,而对高放射性废物可使用更高水准的方法进行玻璃化固化,保证更长久的稳定性。这再次降低了高辐射废物玻璃化、处理和存储的成本。

(基于等离子体的危险废物处理设备)

国外在核废料处理方面,等离子体处理已经开始普及,中国在这一方面的应用研究也紧随其后。2012年,第一台国产化核废料处理等离子熔融炉,在长沙开工建设,采用了当时世界放射性核废料处理领域最先进的技术。

而今年的1月10日,中国在广东清远市建立的第一个基于等离子的危险废物处理示范项目正式通过验收。该项目包括了放射性废物处理方法及装置在内的40项等离子体技术核心专利群,整套装置采用模块化、自动化、标准化进行建设,每天处理能力达到10万吨。

它不仅展示了一种治理危险废物(如医疗碎屑、生活垃圾和矿物油)的新途径,而且标志着中国固体废物处理行业的重大技术突破。

(等离子体废物处理流程示意图:1、废物储存;2、进料装置;3、等离子体炬;4、玻璃体排出;5、绝热气体导管;6、副燃室;7、蒸发冷却器;8、鼓风机;9、进出水;10、布袋除尘器;11、热交换器;12、精细过滤器;13、泵; 14、引风机;15、烟囱)

这套装置是核电技术成功应用于民用环保领域的典型,非核废料经处理后的玻璃体还可以作为路基、建材等被使用(有害物质已经分解,不存在辐射和污染),不久的将来,以该项目为蓝本,等离子体固废处理技术将在全国推广使用。

结语

从第一颗原子弹爆炸,到第一座商业核电站,再到现在的运用等离子技术处理核废料,中国的核技术实现从军用到民用,再到安全应用的一步步突破。中国的核技术起步虽晚,但发展后劲十足,相信随着更多关键技术的突破,中国对核能利用将更加环保高效。

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编辑| 孙健航、史文慧

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