一座叫核废料的金矿
作者：未知 来源：未知 2016-10-02 15:01
作者：未知 来源：未知 2016-10-02 15:01
核技术的出现，既代表着人 类科学技术水平的飞跃， 也揭开了地球资源日益枯竭的疮疤。人类最初的愿景，是想让“原子能造福千万人”。在欧洲大陆的高卢山区，耸立着近百座核电站，它们提供了法国所有电力的76%，让法国成了欧洲电力最便宜的国家。
而在核技术先驱的美国，仅是由核电厂铀裂变产生的大量钚、镅和其他放射性废物，就早已堆积如山，多达7.7万多吨。
如果我们能妙手回春，让这些看似已无用处的废料重现光彩，那么这些核废物极有可能成为下个世纪地球的主要能源动力。
另一种选择
这些放射性废料被称为“铀后元素”，它们的放射性可持续几千年。目前人类处理它们的方法，主要是存储在用混凝土封闭起来的水池中，或是钢制的容器内。
当然，民众对于这些放射性废料的莫名恐慌依然存在，有关它们的最后归宿，也引起了许多激烈的争论。2013年8月，美国哥伦比亚特区巡回上诉法院，就要求政府对尤卡山核废料垃圾场重新规划。
但也许我们还有一个更好的解决方案——将核废料转化为电能。目前，第四代核反应堆系统（Gen-IV）已经可以高效地进行这种转化，将铀后元素分解为一些放射性持续时间较短的物质，从而极大程度地解决了能源浪费和核废料污染的问题。也许不久之后，放射性核废料不再是一个令人头痛的问题，而将成为一座有待进一步开发的金矿。
高效的快堆
美国现有的核反应堆以及世界上大多数反应堆，采用的都是轻水技术，即将铀棒组浸在水中，以水作为冷却剂。铀原子在裂变过程中释放能量，在捕获移动的中子时分裂成两个新元素，释放出2-3个中子以及热量，令水沸腾变成水蒸气，水蒸气再推动涡轮机发电。但原子反应还在继续，并产生了钚和其他元素。
为使裂变反应持续进行，释放的中子需要与铀原子碰撞。但是中子的移动速度太快，很难捕获，因此要通过铀棒周围的水分子让中子运动变缓，达到持续裂变反应所需要的速度。
铀棒经过一段时间的裂变反应之后，就会被当作核废料从反应堆中清除，当被扔到核废料堆上时，它所消耗的铀原子只有5%而已。其实，燃料棒上的钚原子，以及剩余的铀原子都还可以在轻水反应堆中继续进行裂变反应，只是效率较低罢了。而钚需要快速移动的中子来分裂其原子，因此，第四代核反应堆系统最大的改变就是使用了快速反应中子，也就是“快堆”技术（使用快速反应中子的反应堆就被称为快堆）。
“减少”半衰期
第四代核反应堆几乎可以完全提取废弃铀棒中的能量。美国核能研究所高级主管保罗·吉诺亚（Paul Guenoah）说：“Gen-IV反应堆不像它的前辈，只能提取铀燃料中5%～6%的能量，它能将这个数值提高至95%左右。”
此外，Gen-IV 反应堆产生的元素比铀后元素衰减速度更快。“铀后元素的半衰期一般在几十万年，但如果我们将它们分解成碘和其他元素，那么其半衰期大约只有10～30年。”通用电气日立核能的技术主管埃里克·罗文（Roman Tam Eric）说道。
目前，通用日立公司已完成了被称为 PRISM（动力反应堆创新小模块）的第四代快速反应堆的设计工作，并已准备提供给商用电力公司使用。在PRISM反应堆内，钚燃料棒将悬浮在大量液态钠之中，来自核反应的热量会令反应堆堆芯外套管中的水沸腾，进而发电。
更安全
事实上，快堆的构想并不新鲜，美国在1951年开始运行的第一个反应堆就是快堆，使用铀和铀裂变反应产生的钚作为燃料。当时铀是一种稀缺而珍贵的物质，因此从铀燃料中获取最多能量的反应堆显得尤为重要。但当地质学家发现地球上有足够的铀之后，铀开始变得相对廉价，并得到了广泛的应用。人们觉得不再需要更高效的反应堆，而且钠冷快堆的安全性也是一个令人担心的问题，钠是一种高度易燃物，与水接触会产生剧烈反应，这一点在我们的初中化学课程中就已介绍过。俄罗斯和印度的快堆，都曾因钠泄露而发生过火灾事故。
但通用日立表示，他们设计的PRISM 可杜绝这种意外泄漏——反应堆将被安置在防腐蚀的不锈钢容器内，并加装了相应的检漏系统。罗文介绍说，与轻水反应堆相比，PRISM更具安全优势，因为燃料、冷却剂和包层都是金属材料，热阻比水更低。温度过高时，热量可以很容易地从反应堆容器内释放到空气中，而不会导致泵和阀门炸毁。此外，铅或熔盐也可作为快堆的冷却剂，只不过它们会对不锈钢产生一定的腐蚀作用。
未来需要你
虽然如今的快堆技术已经相对完善，但推广这项技术还存在一个很大的障碍——费用。目前的快堆技术相当昂贵，投入与产出不成正比，是非常“不实惠”的。美国加州大学
伯克利分校（University of Cali fornia, Berkeley）工程系的佩尔·彼得森（Pedersen Pell）教授说：“从经济效益考虑，核工业部门更愿意采用轻水反应堆发电，哪怕它会产生一大堆核废料。”
彼得森认为，快堆技术终究会有走向市场的一天，关键是要找到高效利用核废料的途径。然而到目前为止，美国采用的仍是实施了31年之久的核废料掩埋计划，而不是开发利用核废料中的能量。就在两年前，麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的穆杰德·卡兹米（Kazemi Mujd）和欧内斯特·莫尼兹（Moniz Ernest）两位核专家在合著的论文中指出，在未来几十年里，只要可以获得廉价的铀，传统反应堆仍将会是核电工业的首选技术。
从大家的担忧和实际考虑来看，我们不难发现，即便已经有了能够开发放射性核废料这座金矿的快堆技术，但至少在未来几十年内，核废料还将继续当成一种令人头痛的废物而被白白浪费。相信随着快堆技术的日臻成熟，会有更多人见识到它最大程度降低核废料生产量，实现放射性废物最小化的能力。发展和推广快堆技术，可以从根本上解决世界能源的可持续发展和绿色发展问题。
来源：《科学24小时》2016年第02期 作者：方陵生;
而在核技术先驱的美国，仅是由核电厂铀裂变产生的大量钚、镅和其他放射性废物，就早已堆积如山，多达7.7万多吨。
如果我们能妙手回春，让这些看似已无用处的废料重现光彩，那么这些核废物极有可能成为下个世纪地球的主要能源动力。
另一种选择
这些放射性废料被称为“铀后元素”，它们的放射性可持续几千年。目前人类处理它们的方法，主要是存储在用混凝土封闭起来的水池中，或是钢制的容器内。
当然，民众对于这些放射性废料的莫名恐慌依然存在，有关它们的最后归宿，也引起了许多激烈的争论。2013年8月，美国哥伦比亚特区巡回上诉法院，就要求政府对尤卡山核废料垃圾场重新规划。
但也许我们还有一个更好的解决方案——将核废料转化为电能。目前，第四代核反应堆系统（Gen-IV）已经可以高效地进行这种转化，将铀后元素分解为一些放射性持续时间较短的物质，从而极大程度地解决了能源浪费和核废料污染的问题。也许不久之后，放射性核废料不再是一个令人头痛的问题，而将成为一座有待进一步开发的金矿。
高效的快堆
美国现有的核反应堆以及世界上大多数反应堆，采用的都是轻水技术，即将铀棒组浸在水中，以水作为冷却剂。铀原子在裂变过程中释放能量，在捕获移动的中子时分裂成两个新元素，释放出2-3个中子以及热量，令水沸腾变成水蒸气，水蒸气再推动涡轮机发电。但原子反应还在继续，并产生了钚和其他元素。
为使裂变反应持续进行，释放的中子需要与铀原子碰撞。但是中子的移动速度太快，很难捕获，因此要通过铀棒周围的水分子让中子运动变缓，达到持续裂变反应所需要的速度。
铀棒经过一段时间的裂变反应之后，就会被当作核废料从反应堆中清除，当被扔到核废料堆上时，它所消耗的铀原子只有5%而已。其实，燃料棒上的钚原子，以及剩余的铀原子都还可以在轻水反应堆中继续进行裂变反应，只是效率较低罢了。而钚需要快速移动的中子来分裂其原子，因此，第四代核反应堆系统最大的改变就是使用了快速反应中子，也就是“快堆”技术（使用快速反应中子的反应堆就被称为快堆）。
“减少”半衰期
第四代核反应堆几乎可以完全提取废弃铀棒中的能量。美国核能研究所高级主管保罗·吉诺亚（Paul Guenoah）说：“Gen-IV反应堆不像它的前辈，只能提取铀燃料中5%～6%的能量，它能将这个数值提高至95%左右。”
此外，Gen-IV 反应堆产生的元素比铀后元素衰减速度更快。“铀后元素的半衰期一般在几十万年，但如果我们将它们分解成碘和其他元素，那么其半衰期大约只有10～30年。”通用电气日立核能的技术主管埃里克·罗文（Roman Tam Eric）说道。
目前，通用日立公司已完成了被称为 PRISM（动力反应堆创新小模块）的第四代快速反应堆的设计工作，并已准备提供给商用电力公司使用。在PRISM反应堆内，钚燃料棒将悬浮在大量液态钠之中，来自核反应的热量会令反应堆堆芯外套管中的水沸腾，进而发电。
更安全
事实上，快堆的构想并不新鲜，美国在1951年开始运行的第一个反应堆就是快堆，使用铀和铀裂变反应产生的钚作为燃料。当时铀是一种稀缺而珍贵的物质，因此从铀燃料中获取最多能量的反应堆显得尤为重要。但当地质学家发现地球上有足够的铀之后，铀开始变得相对廉价，并得到了广泛的应用。人们觉得不再需要更高效的反应堆，而且钠冷快堆的安全性也是一个令人担心的问题，钠是一种高度易燃物，与水接触会产生剧烈反应，这一点在我们的初中化学课程中就已介绍过。俄罗斯和印度的快堆，都曾因钠泄露而发生过火灾事故。
但通用日立表示，他们设计的PRISM 可杜绝这种意外泄漏——反应堆将被安置在防腐蚀的不锈钢容器内，并加装了相应的检漏系统。罗文介绍说，与轻水反应堆相比，PRISM更具安全优势，因为燃料、冷却剂和包层都是金属材料，热阻比水更低。温度过高时，热量可以很容易地从反应堆容器内释放到空气中，而不会导致泵和阀门炸毁。此外，铅或熔盐也可作为快堆的冷却剂，只不过它们会对不锈钢产生一定的腐蚀作用。
未来需要你
虽然如今的快堆技术已经相对完善，但推广这项技术还存在一个很大的障碍——费用。目前的快堆技术相当昂贵，投入与产出不成正比，是非常“不实惠”的。美国加州大学
伯克利分校（University of Cali fornia, Berkeley）工程系的佩尔·彼得森（Pedersen Pell）教授说：“从经济效益考虑，核工业部门更愿意采用轻水反应堆发电，哪怕它会产生一大堆核废料。”
彼得森认为，快堆技术终究会有走向市场的一天，关键是要找到高效利用核废料的途径。然而到目前为止，美国采用的仍是实施了31年之久的核废料掩埋计划，而不是开发利用核废料中的能量。就在两年前，麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的穆杰德·卡兹米（Kazemi Mujd）和欧内斯特·莫尼兹（Moniz Ernest）两位核专家在合著的论文中指出，在未来几十年里，只要可以获得廉价的铀，传统反应堆仍将会是核电工业的首选技术。
从大家的担忧和实际考虑来看，我们不难发现，即便已经有了能够开发放射性核废料这座金矿的快堆技术，但至少在未来几十年内，核废料还将继续当成一种令人头痛的废物而被白白浪费。相信随着快堆技术的日臻成熟，会有更多人见识到它最大程度降低核废料生产量，实现放射性废物最小化的能力。发展和推广快堆技术，可以从根本上解决世界能源的可持续发展和绿色发展问题。
来源：《科学24小时》2016年第02期 作者：方陵生;