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　　核電站技術的進一步發(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險

　　文/呂靜

　　聽上去好像是很簡單，鈾在核反應堆里燃燒得越強、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)境的巨大風險。更為嚴重的是，與人們預料的情況相反，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個反應堆，英國將建10個反應堆。中國現(xiàn)在的核電裝機容量僅為910萬千瓦，預計到2020年，將達到4000萬千瓦。

　　要提高反應堆效率，技術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)普遍應用的加壓水和沸騰水反應堆里獲得了成功驗證。從1970年開始，世界各地反應堆的平均燃耗幾乎增加了一倍，達到了40 GWd/tU。

　　新型的反應堆多使用兩種設計：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”，另一種是法國阿海琺公司的歐洲壓水堆技術，預計新技術的燃耗率將達到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•比龍所領導的一個小組發(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，曾導致了一個反應堆核芯的部分熔化。要在這樣一個事故中控制放射能的泄漏，最關鍵的是核燃料棒與其外圍的鋯合金包殼在應急制冷系統(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)生反應形成氧化鋯，也會侵蝕反應堆的外殼表面。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、密切關注這一問題的科學家埃德溫•萊曼警告世人說，這一問題需要在新的反應堆運行前得到解決。他還指出，就算是應對那些已經(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)代的反應堆都是在保證從不會發(fā)生災難性冷卻劑損失的前提下運行的。賓夕法尼亞州立大學的反應堆材料專家亞瑟•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。長時間在反應堆中使用輻射鈾，使得反應堆的放射性更強，當從反應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，有英國核能設施除役局對10個已經(jīng)計劃的AP1000反應堆高燃耗核燃料廢料所產(chǎn)生放射能所做的估計，預計在2080年將出現(xiàn)10個新型反應堆，合起來所產(chǎn)生的核廢料放射能峰值，將是英國現(xiàn)在所有核反應堆廢料放射能峰值(預計在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，并顯示出更多技術上的不確定性和倫理上的無法估量性。”