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核废料不是大众想象中的“地狱材料”

2021-07-15 15:22          伽马射线放射性同位素放射性废物

一名反核抗议者在德国丹嫩贝格的一块场地上离开示威游行。照片:路透社/Christian Charisius

“放射性废物”一词会对听众产生寒蝉效应,让人联想到无形的危险,而核能产生的高放射性废物进一步让人联想到一种在数万年内仍然具有致命性的地狱物质的图像。

正如安德鲁·卡拉姆( Andrew Karam)最近在美国科学与健康委员会公报中所解释的那样,事实远没有那么夸张。中等时间的储存甚至可以显着抑制高放废物。

自然界中有 92 种天然元素,从最轻的氢到最重的铀。元素由原子组成。每个原子都有一个中心核,由称为质子和中子的基本粒子组成,并被电子云包围。

原子的几乎所有质量都存在于它的原子核中。较重元素的原子具有不稳定的原子核,它们试图通过以粒子/射线(α 和β 粒子以及γ 射线)的形式喷出自身的一小部分来实现稳定性。这些不稳定的原子具有放射性。

阿尔法粒子包括两个质子和两个中子。β粒子是由中子发射的高能电子。阿尔法粒子不会穿透你的皮肤,而贝塔粒子只能穿透人体组织几毫米。伽马射线具有很强的穿透力,很容易穿过身体。这些粒子/射线与人体组织的相互作用会导致癌症和遗传效应。

地下仓库

当放射性原子(放射性同位素)发出 α 和 β 粒子时,它会将其元素性质改变为另一种元素。任何放射性同位素集合的一半消失所需的时间称为半衰期。因此,如果放射性同位素的半衰期为一小时,则三小时后只有八分之一的原始放射性原子保留。

放射性废物产生于研究实验室、核医学中心和核工业。医学中使用的放射性同位素的半衰期非常短,此类废物的放射性在数天/数周内衰减到非常低的水平。研究活动产生的废物通常含量很低,对人类健康构成的风险可以忽略不计。

这将我们带到了核工业。来自反应堆堆芯的乏核燃料具有强烈的放射性和危险性。这种高放废物通常被加工成玻璃态(玻璃化),最流行的长期储存选择是在稳定的地下地质构造中。

强烈的放射性反映了快速分解的短半衰期放射性同位素的优势。这种高核衰变率意味着放射性水平迅速下降——乏核燃料的放射性在从反应堆中取出后的六个月内降低到其初始活性的 10-20%,并且在几十年内放射性降低了进一步的因素二。放射性危险在 100 年内基本消失,而在几千年内,储存的乏燃料的放射性略高于最初从地下开采出来以制造新燃料棒的铀矿石。

安全储存

尽管一些放射性物质在核废料中保留了 10,000 多年,但这些寿命极长的放射性同位素的活性很低,许多放射出的 α 粒子无法从废料本身中逸出。许多人担心核废料不能安全储存数千年——我们如何确信放射性同位素不会从地下地质储存库中渗出?

但在奥克洛铀矿床的观察加蓬,非洲向我们保证核废料可以被安全地保存几千年。

1972 年,科学家们注意到 Oklo 铀矿床中的放射性同位素比率与世界其他任何地方的放射性同位素比率不同。这种同位素“指纹”表明,这种矿石在 20 亿年前进行了自我维持的核链式反应。这个天然核反应堆位于充满水的多孔岩石中,现在没有人会选择这种条件作为核废料储存库。尽管如此,研究表明,几乎所有的核放射性同位素都已存在超过 20 亿年。

最重要的是,从反应堆中取出后保留一段相对适中时间的高放核废料并不是人们想象中的地狱般的放射性物质,可以在地质储存库中安全储存数千年。

与核废料处理相关的主要问题不是科学或技术问题,而是政治和社会问题,毕竟没有人希望他们的住处附近有放射性废物储存库。

中国核能高质量发展大会

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