難于掌控的超級(jí)核燃料

呂　靜

核電站技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將使核燃料的利用率得到提高，但隨之也帶來(lái)了更高的風(fēng)險(xiǎn)

聽(tīng)上去好像是很簡(jiǎn)單，鈾在核反應(yīng)堆里燃燒得越強(qiáng)、越熱、越長(zhǎng)時(shí)間——它得到了最充分的分裂——?jiǎng)t所需要的燃料也就越少，而且到燃料耗盡時(shí)所產(chǎn)生的廢料也越少。

幾十年來(lái)，核技術(shù)人員一直在朝著這個(gè)方向努力，但是新興的核安全與核廢料處置研究卻對(duì)此提出了新的問(wèn)題。最新的研究發(fā)現(xiàn)，高效核燃料在應(yīng)急時(shí)刻可能是不穩(wěn)定的，這樣將引起放射性物質(zhì)泄漏和進(jìn)入環(huán)境的巨大風(fēng)險(xiǎn)。更為嚴(yán)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(lái)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(kù)中。

新技術(shù)下的核燃料

目前，全球核電總裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)了3.5億千瓦。新一代的核電站將帶來(lái)更大的改變。在未來(lái)的幾年中，美國(guó)將新建30個(gè)反應(yīng)堆，英國(guó)將建10個(gè)反應(yīng)堆。中國(guó)現(xiàn)在的核電裝機(jī)容量?jī)H為910萬(wàn)千瓦，預(yù)計(jì)到2020年，將達(dá)到4000萬(wàn)千瓦。

要提高反應(yīng)堆效率，技術(shù)人員就需改進(jìn)用作燃料的濃縮鈾，提高其燃耗率。燃耗率是一個(gè)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(lái)表示(GWd/tU)。燃耗越高，燃料棒在反應(yīng)堆里維持的時(shí)間越長(zhǎng)，這一點(diǎn)已經(jīng)在美國(guó)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(yàn)證。從1970年開(kāi)始，世界各地反應(yīng)堆的平均燃耗幾乎增加了一倍，達(dá)到了40 GWd/tU。

新型的反應(yīng)堆多使用兩種設(shè)計(jì)：一種是美國(guó)西屋公司開(kāi)發(fā)的AP1000“非能動(dòng)型壓水堆核電技術(shù)”，另一種是法國(guó)阿?，m公司的歐洲壓水堆技術(shù)，預(yù)計(jì)新技術(shù)的燃耗率將達(dá)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(yàn)

不過(guò)，這樣的進(jìn)展卻可能帶來(lái)一定的代價(jià)。今年3月，在美國(guó)華盛頓特區(qū)和馬里蘭洛克維樂(lè)，在美國(guó)核管理委員會(huì)(NRC)組織的一個(gè)會(huì)議上，美國(guó)伊利諾斯阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的邁克爾?比龍所領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組發(fā)表了對(duì)高燃耗燃料行為的研究發(fā)現(xiàn)，指出燃耗超過(guò)45GWd/tU的燃料會(huì)引起從前所無(wú)法預(yù)料的安全問(wèn)題，并且將會(huì)打破現(xiàn)有的NRC安全條例，除非人們做一些改進(jìn)，將這些核燃料成分打包包裝。

在核電站的運(yùn)作中，假如冷卻水突然損失，就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。比如1979年美國(guó)賓夕法尼亞三里島的事故，曾導(dǎo)致了一個(gè)反應(yīng)堆核芯的部分熔化。要在這樣一個(gè)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(shí)要保持完整。如果外殼變得很脆，核燃料棒有可能會(huì)迸裂，進(jìn)而會(huì)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(guò)和鋯發(fā)生反應(yīng)形成氧化鋯，也會(huì)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(guò)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(yán)厲。當(dāng)他們采用不同類型的外殼來(lái)包裹燃耗達(dá)到45GWd/tU的核燃料時(shí)，通過(guò)一系列的測(cè)試來(lái)設(shè)計(jì)模擬冷卻劑喪失事故，發(fā)現(xiàn)這些外殼都會(huì)在氧化度到達(dá)17%的限度之前就開(kāi)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(yùn)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(shí)還將比現(xiàn)有的高燃耗燃料多產(chǎn)生大約40%的氫。

來(lái)自華盛頓、密切關(guān)注這一問(wèn)題的科學(xué)家埃德溫?萊曼警告世人說(shuō)，這一問(wèn)題需要在新的反應(yīng)堆運(yùn)行前得到解決。他還指出，就算是應(yīng)對(duì)那些已經(jīng)被認(rèn)為是非常了解的材料和過(guò)程，也可能遇到讓人不快的意外。

代表著美國(guó)電力生產(chǎn)商的電力研究所堅(jiān)持認(rèn)為核電并沒(méi)有迫切的安全問(wèn)題，而且現(xiàn)代的反應(yīng)堆都是在保證從不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性冷卻劑損失的前提下運(yùn)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(rèn)為，采用新型合金，有可能解決比龍?zhí)岢龅膯?wèn)題。他說(shuō)：“我們應(yīng)該可以安全地增加燃耗?！?/p>

盡管有這些說(shuō)辭，NRC還是委托阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室作進(jìn)一步調(diào)查，他們本著加強(qiáng)增進(jìn)核管會(huì)條例的觀點(diǎn)，業(yè)已開(kāi)始了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)3年的磋商研究。核管會(huì)的拉爾夫?梅爾說(shuō)：“我們正在積極準(zhǔn)備修訂核管會(huì)說(shuō)明燃耗效應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)。一些臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)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(wèn)題。長(zhǎng)時(shí)間在反應(yīng)堆中使用輻射鈾，使得反應(yīng)堆的放射性更強(qiáng)，當(dāng)從反應(yīng)堆移走核廢料并將其掩埋儲(chǔ)存時(shí)，這種得到增強(qiáng)的放射性物質(zhì)的衰減會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)更多的熱量。按照2006年負(fù)責(zé)處理英國(guó)核廢料的尼拉克斯公司估計(jì)，在核廢料所需要的整個(gè)儲(chǔ)存期間，一個(gè)燃耗在55GWd/tU的核燃料在一個(gè)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(kāi)來(lái)儲(chǔ)存。如果做不到這一點(diǎn)，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(chǔ)存點(diǎn)的容器破裂，或波及到儲(chǔ)存點(diǎn)附近的巖石，進(jìn)而增加泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。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(chǔ)存空間。

“核咨詢工作組”是激進(jìn)分子和反對(duì)核電的一個(gè)組織，該組織成員休?理查德說(shuō)，在英國(guó)，這可能意味著政府將需要尋找兩個(gè)地下的儲(chǔ)藏庫(kù)，而不是現(xiàn)在所設(shè)想的一個(gè)。今年4月中旬，理查德發(fā)表的一個(gè)研究報(bào)告中，有英國(guó)核能設(shè)施除役局對(duì)10個(gè)已經(jīng)計(jì)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(jì)，預(yù)計(jì)在2080年將出現(xiàn)10個(gè)新型反應(yīng)堆，合起來(lái)所產(chǎn)生的核廢料放射能峰值，將是英國(guó)現(xiàn)在所有核反應(yīng)堆廢料放射能峰值(預(yù)計(jì)在2020年出現(xiàn))的兩倍。

馬里恩?希爾是英國(guó)政府輻射廢棄物管理委員會(huì)的委員。他說(shuō)，現(xiàn)在說(shuō)這會(huì)不會(huì)對(duì)核設(shè)施除役局提出一個(gè)大問(wèn)題還為時(shí)過(guò)早。但另一位也曾是英國(guó)政府輻射廢棄物管理委員會(huì)委員的核顧問(wèn)皮特?威爾金森卻已經(jīng)預(yù)測(cè)到一些問(wèn)題。他說(shuō)：“這勢(shì)必將加大核廢料庫(kù)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(wú)法估量性?！?/p>