核电的未来很诱人，核废料的问题很棘手|冷却剂|核反应堆|核废料|核燃料|核电

核电站贡献了全球 10% 的发电量，但每年会产生约 1 万吨的乏燃料（spent fuel，核反应堆中经辐照、燃耗达标后卸出的用过的核燃料）废料。

目前全世界处理核废料的方式，既有创意又五花八门：泡在水池里、封进钢罐中、埋到地下几百米深处。但随着新型核反应堆设计的出现，核废料管理可能面临新的变数。

目前运行中的核电站反应堆大多遵循相似的基本蓝图：使用低浓缩铀作为燃料，用水冷却，体积庞大，建在集中式电站里。但一大批新型反应堆设计可能在未来几年投入运行，届时可能需要对现有系统做出调整，以确保它们能处理新产生的废料。

“这一大批新型反应堆和燃料类型是否会让废料管理变得更容易，没有统一的答案，”忧思科学家联盟（Union of Concerned Scientists）核电安全主任埃德温·莱曼（Edwin Lyman）说。

核废料处置手册

核废料大致可以分为两类：低放射性废料，比如医院和研究中心受污染的防护设备；以及高放射性废料，后者需要更谨慎的处理。

按体积计算，绝大部分是低放射性废料。这类废料可以就地存放，一旦放射性衰减到足够低的水平，基本可以当作普通垃圾处理（需要一些额外的预防措施）。高放射性废料则放射性强得多，温度也往往很高。这一类废料的主体是乏燃料，是多种材料的混合物，包括铀-235——核燃料中的可裂变部分，核电站维持链式反应就靠它。乏燃料中还含有裂变产物，也就是原子裂变释放能量时产生的副产物，其中一些具有放射性。

许多专家认为，乏燃料和其他高放射性核废料的最佳长期解决方案是地质处置库——简单来说，就是一个非常深、管理非常严格的地下空间。芬兰在这方面走得最远，其位于该国西南海岸的处置场预计今年投入运行。

美国在 1980 年代指定了一个地质处置库选址，但政治争议导致进展停滞。所以目前在美国，乏燃料存放在运行中和已关闭的核电站厂区内。乏燃料从反应堆中取出后，通常先进入湿式储存，也就是浸入水池中冷却。之后可以转入由水泥和钢材制成的保护性容器中，称为干式储罐，这一阶段叫干式储存。

专家表示，面对新型反应堆设计，行业不需要把这套流程推倒重来。“我们管理乏燃料的方式基本上不会有大的变化，”核创新联盟（Nuclear Innovation Alliance）研究与战略经理埃里克·科思伦（Erik Cothron）说。核创新联盟是一家专注于核工业的非营利智库。“我不会因为担心乏燃料管理的问题而睡不着觉。”

但新的设计和材料可能需要一些工程上的解决方案。而且反应堆设计种类繁多，相应地，需要处理的废料类型也同样多样。

非常规废料

有些新型核反应堆和现有的运行堆型很相似，它们的乏燃料管理方式也会大同小异。但也有一些采用了新型材料作为冷却剂和燃料。

“非常规的材料会产生非常规的废料，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校核工程、等离子体与辐射工程助理教授赛义德·巴豪丁·阿拉姆（Syed Bahauddin Alam）说。

一些先进设计可能会增加需要按高放射性废料处理的材料体积。以使用 TRISO（三结构各向同性）燃料的反应堆为例。TRISO 燃料的核心是一颗铀芯，外面包裹了好几层保护材料，再嵌入石墨壳中。包裹 TRISO 的石墨很可能会和乏燃料归为一体处理，这会让废料体积比现有燃料大得多。

根据核创新联盟 2024 年的一份报告，以目前的技术水平，把这些层分离开来既困难又昂贵，这意味着整个燃料组件会被一起归类为高放射性废料。

X-energy 公司正在设计使用TRISO 燃料的高温气冷反应堆。该公司已经向美国核管理委员会（NRC）提交了乏燃料处理方案。据该公司介绍，TRISO 燃料的形态实际上有助于废料管理：其保护性外壳使 X-energy 不需要湿式储存，从第一天起就可以直接进入干式储存。

液态燃料熔盐堆是另一种新型设计，同样可能增加废料体积。在这种设计中，燃料和冷却剂不像大多数反应堆那样分开存放，而是将燃料直接溶解在用作冷却剂的熔盐中。这意味着整缸熔盐都需要按高放射性废料来处理。

另一方面，还有一些反应堆设计可能产生更少体积的乏燃料，但体积小并不等于问题小。以快堆为例，快堆的燃耗率更高，能消耗更多的可裂变材料，从燃料中提取更多能量。这意味着快堆的乏燃料中裂变产物浓度通常更高，释放的热量也更多。而热量可能是设计废料处置方案时最关键的制约因素。

乏燃料需要保持相对低温，否则可能熔化并释放有害副产物。处置库中热量过高还可能损坏周围的岩层。"热量才是真正决定你能往处置库里放多少东西的关键因素，"前美国能源部和核管理委员会官员保罗·迪克曼（Paul Dickman）说。

英属哥伦比亚大学公共政策与全球事务学院院长、核管理委员会前主席艾莉森·麦克法兰（Allison MacFarlane）表示，有些乏燃料在处置之前可能需要经过化学处理，这会增加复杂性和成本。例如，在使用金属钠冷却的快堆中，冷却剂可能渗入燃料并和燃料包壳融合在一起。把它们分离开来很棘手，而且钠遇水会剧烈反应，所以这些乏燃料需要专门处理。

TerraPower 的 Natrium 反应堆是一座钠冷快堆，今年 3 月初获得了核管理委员会的建造许可。TerraPower 商务发展高级副总裁杰弗里·米勒（Jeffrey Miller）表示，该反应堆的设计能够安全应对这一挑战。公司的方案是在乏燃料放入湿式储存池之前，先用氮气吹扫材料表面，去除残留的钠。