核電站技術(shù)的進一步發(fā)展將使核燃料的利用率得到提高,，但隨之也帶來了更高的風(fēng)險
文/呂靜
聽上去好像是很簡單,，鈾在核反應(yīng)堆里燃燒得越強、越熱,、越長時間——它得到了最充分的分裂——則所需要的燃料也就越少,，而且到燃料耗盡時所產(chǎn)生的廢料也越少,。
幾十年來，核技術(shù)人員一直在朝著這個方向努力,，但是新興的核安全與核廢料處置研究卻對此提出了新的問題。最新的研究發(fā)現(xiàn),，高效核燃料在應(yīng)急時刻可能是不穩(wěn)定的,，這樣將引起放射性物質(zhì)泄漏和進入環(huán)境的巨大風(fēng)險,。更為嚴重的是，與人們預(yù)料的情況相反,，由這種高效核燃料所產(chǎn)生的核廢料所帶來的輻射更大,，這就意味著，它們更難與現(xiàn)有的核廢料一起埋藏到地下的核廢料庫中,。
新技術(shù)下的核燃料
目前,，全球核電總裝機容量已經(jīng)超過了3.5億千瓦。新一代的核電站將帶來更大的改變,。在未來的幾年中,，美國將新建30個反應(yīng)堆，英國將建10個反應(yīng)堆,。中國現(xiàn)在的核電裝機容量僅為910萬千瓦,，預(yù)計到2020年，將達到4000萬千瓦,。
要提高反應(yīng)堆效率,，技術(shù)人員就需改進用作燃料的濃縮鈾，提高其燃耗率,。燃耗率是一個從已知數(shù)量的燃料中獲得電量的單位,，用每噸鈾所產(chǎn)生的吉瓦?天數(shù)來表示(GWd/tU)。燃耗越高,，燃料棒在反應(yīng)堆里維持的時間越長,，這一點已經(jīng)在美國和其他地區(qū)普遍應(yīng)用的加壓水和沸騰水反應(yīng)堆里獲得了成功驗證。從1970年開始,，世界各地反應(yīng)堆的平均燃耗幾乎增加了一倍,，達到了40 GWd/tU。
新型的反應(yīng)堆多使用兩種設(shè)計:一種是美國西屋公司開發(fā)的AP1000“非能動型壓水堆核電技術(shù)”,，另一種是法國阿?，m公司的歐洲壓水堆技術(shù)，預(yù)計新技術(shù)的燃耗率將達到60GWd/tU或更高,。在這種燃耗下,，鈾燃料棒將比今日燃耗最好的燃料多燒一年之久。
燃料棒的考驗
不過,，這樣的進展卻可能帶來一定的代價,。今年3月，在美國華盛頓特區(qū)和馬里蘭洛克維樂,，在美國核管理委員會(NRC)組織的一個會議上,，美國伊利諾斯阿貢國家實驗室的邁克爾?比龍所領(lǐng)導(dǎo)的一個小組發(fā)表了對高燃耗燃料行為的研究發(fā)現(xiàn)，指出燃耗超過45GWd/tU的燃料會引起從前所無法預(yù)料的安全問題,，并且將會打破現(xiàn)有的NRC安全條例,，除非人們做一些改進,，將這些核燃料成分打包包裝。
在核電站的運作中,，假如冷卻水突然損失,，就會發(fā)生危險。比如1979年美國賓夕法尼亞三里島的事故,，曾導(dǎo)致了一個反應(yīng)堆核芯的部分熔化,。要在這樣一個事故中控制放射能的泄漏，最關(guān)鍵的是核燃料棒與其外圍的鋯合金包殼在應(yīng)急制冷系統(tǒng)下插入冷水時要保持完整,。如果外殼變得很脆,，核燃料棒有可能會迸裂，進而會將钚等其他放射性材料泄漏到反應(yīng)堆外圍的廠房,。
就算在正常的操作情況下,，冷卻水通過和鋯發(fā)生反應(yīng)形成氧化鋯，也會侵蝕反應(yīng)堆的外殼表面,。NRC的條例規(guī)定,，侵蝕層必須不能超過外殼厚度的17%。
比龍和同事指出,，在使用高燃耗核燃料的地方,，這一條例不夠嚴厲。當他們采用不同類型的外殼來包裹燃耗達到45GWd/tU的核燃料時,，通過一系列的測試來設(shè)計模擬冷卻劑喪失事故,，發(fā)現(xiàn)這些外殼都會在氧化度到達17%的限度之前就開始變脆。
研究人員將這種脆性的增加歸結(jié)于正常反應(yīng)堆運作中的高燃耗核燃料所釋放的氫量增加,。氫氣是逐漸被外殼吸收的,，它在核燃料的外殼上增加了氧的溶解性。在650℃到1200℃之間,，可以觸發(fā)鋯的“分離氧化”,，使之在緊急情況下很快變脆。燃料操作系統(tǒng)在60GWd/tU時還將比現(xiàn)有的高燃耗燃料多產(chǎn)生大約40%的氫,。
來自華盛頓,、密切關(guān)注這一問題的科學(xué)家埃德溫?萊曼警告世人說，這一問題需要在新的反應(yīng)堆運行前得到解決,。他還指出,，就算是應(yīng)對那些已經(jīng)被認為是非常了解的材料和過程，也可能遇到讓人不快的意外,。
代表著美國電力生產(chǎn)商的電力研究所堅持認為核電并沒有迫切的安全問題,，而且現(xiàn)代的反應(yīng)堆都是在保證從不會發(fā)生災(zāi)難性冷卻劑損失的前提下運行的。賓夕法尼亞州立大學(xué)的反應(yīng)堆材料專家亞瑟?摩塔認為,，采用新型合金,，有可能解決比龍?zhí)岢龅膯栴},。他說:“我們應(yīng)該可以安全地增加燃耗?！?
盡管有這些說辭，NRC還是委托阿貢國家實驗室作進一步調(diào)查,，他們本著加強增進核管會條例的觀點,，業(yè)已開始了一個長達3年的磋商研究。核管會的拉爾夫?梅爾說:“我們正在積極準備修訂核管會說明燃耗效應(yīng)的安全標準,。一些臨時標準已經(jīng)啟用,。”
更難處理的核廢料
另一方面,，如何處置高燃耗核燃料所產(chǎn)生的廢料,，也是讓人頭疼的問題。長時間在反應(yīng)堆中使用輻射鈾,，使得反應(yīng)堆的放射性更強,，當從反應(yīng)堆移走核廢料并將其掩埋儲存時，這種得到增強的放射性物質(zhì)的衰減會產(chǎn)生相應(yīng)更多的熱量,。按照2006年負責處理英國核廢料的尼拉克斯公司估計,，在核廢料所需要的整個儲存期間，一個燃耗在55GWd/tU的核燃料在一個加壓水反應(yīng)堆中的輻射能可以比33GWd/tU這樣的低燃耗核燃料多50%,。
要保證這種內(nèi)部產(chǎn)生的熱量維持在安全限度內(nèi),，就需要將這種用完的高燃耗燃料成分分開來儲存。如果做不到這一點,，就將可能引起核廢料內(nèi)部熱量的增加,，從而導(dǎo)致地下儲存點的容器破裂，或波及到儲存點附近的巖石,，進而增加泄漏的風(fēng)險,。雖然高燃耗燃料的效率增加了，但這卻意味著這類核廢料需要更大的儲存空間,。
“核咨詢工作組”是激進分子和反對核電的一個組織,，該組織成員休?理查德說，在英國,，這可能意味著政府將需要尋找兩個地下的儲藏庫,，而不是現(xiàn)在所設(shè)想的一個。今年4月中旬,，理查德發(fā)表的一個研究報告中,，有英國核能設(shè)施除役局對10個已經(jīng)計劃的AP1000反應(yīng)堆高燃耗核燃料廢料所產(chǎn)生放射能所做的估計，預(yù)計在2080年將出現(xiàn)10個新型反應(yīng)堆,，合起來所產(chǎn)生的核廢料放射能峰值,，將是英國現(xiàn)在所有核反應(yīng)堆廢料放射能峰值(預(yù)計在2020年出現(xiàn))的兩倍,。
馬里恩?希爾是英國政府輻射廢棄物管理委員會的委員。他說,，現(xiàn)在說這會不會對核設(shè)施除役局提出一個大問題還為時過早,。但另一位也曾是英國政府輻射廢棄物管理委員會委員的核顧問皮特?威爾金森卻已經(jīng)預(yù)測到一些問題。他說:“這勢必將加大核廢料庫的體積和成本,，并顯示出更多技術(shù)上的不確定性和倫理上的無法估量性,。”
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作者：
呂靜
編輯：
陶沙
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