核废料的来源于处理方法.pdf

拿什么埋葬你，核废料！课程：环境化学 老师：成员：目录 摘要 1 核废料之产生与分类 1.1 高放射性废料 1.2 低放射性核废料 1.3 核废料的主要来源 2 核废料之危害 3 核废料之处理方法 3.1 初步处理 3.2 长期处理方法 3.3 目前世界几个主要代表国家核废料的处理方案 4 核废料有待解决的相关难点 5 核废料之泄漏 6 核废料之反思 7 参考文献 1 2 2 2 2 2 3 3 4 4 6 7 8 9 摘要：在学习了环境化学课程之后，我们最后终选择核废料作为我们的介绍对象与最后终的课程论文报告主题。核废料是一切有放射性的垃圾废料，比如核电站产生有放射性的废水、废渣、废气等，我们论文主要从核废料的产生来源，核废料危害，核废料的贮存方法，关于核废料贮存有待解决的问题以及历史上废废料的泄漏事件，还有核废料的反思等几个方面来介绍。关键词：核废料，放射性。引言：1896年，法国物理学家贝克勒尔在研究铀盐的实验中，首先发现了铀原子核的天然放射性。在进一步研究中，他发现铀盐所放出的这种射线能使空气电离，也可以穿透黑纸使照相底片感光。他还发现，外界压强和温度等因素的变化不会对实验产生任何影响。贝克勒尔的这一发现意义深远，它使人们对物质的微观结构有了更新的认识，并由此打开了原子核物理学的大门。1945年 8月 6日，小男孩在日本广岛爆炸，到 1999年，至少造成20万人的死亡以及无法估量的其他损失。1954年 6月，世界上第一座核电站在前苏联建成，成为人类和平运用核能的典范。2011年 4月福岛核泄漏事件，造成53人死亡以及数千人受辐射而患上慢性病。人们对放射性物质由开始的新奇到恐怖，再到欣慰又到恐怖！目前社会普遍人群谈核色变，对有放射性的物质都是避而远之。特别是核电站，福岛核事故将核电站推上风口浪尖。还有就是核武器，比如现在伊朗和朝鲜都在研制核武器。但是在我们生活的周围，放射却不仅仅来自核武器，核电站。其实他们对我们现在的生活影响非常小。而我们应该更加关心的是核废料的处理问题，来自核电站、研究所、医院等废弃放射源的处理问题，这些才是我们经常忽略但是又极其恐怖的放射性物质。在世界上的很多国家，非常注重发展核电事业，每年都将核电发电量作为指标写到年度计划书上。却很少有国家与民众关注核电站运行产生的核废料处理问题。造成许多环境污染问题，而一旦污染治理简直就是比登天还难。此外还有就是研究所或是医院放射源遗失问题，虽然在使用年限内对放射源监管的都很严，但是在过期后却少有人管。曾经发生过好几起放射源盗窃问题，对社会人员造成很大的伤害与恐慌。所以我们将核废料作为我们的主题就是希望借此来提醒人们，关注我们身边少有人关心的核废料。保护自己，保护大家！首先来了解下核废料的定义：核废料（nuclear waste material）泛指在核燃料生产、加工和核反应堆用过的不再需要的并具有放射性的废料。也专指核反应堆用过的乏燃料，经后处理回收钚239等可利用的核材料后，余下的不再需要的并具有放射性的废料。下面就从核废料的产生与分类，核废料危害，核废料的贮存方法，关于核废料贮存有待解决的问题以及历史上废废料的泄漏事件，还有核废料的反思等几个方面来展开我们的核废料介绍。1 1 核废料之产生与分类：核废料按物理状态可分为固体、液体和气体3种；按比活度又可分为高水平（高放）、中水平（中放）和低水平（低放）3种。1.1 高放射性废料：核电站反应堆芯残留下的核灰烬，报废的核潜艇，医学工业、农业以及研究机构的过期放射源。半衰期很长的长寿命锕系核素是主要的放射性危险物，核素 U-232、Cm-244、Pu-238、Am-241 和 Pu-241 在头一百年里是最危险的；Pu-241、Am-241、Pu-240、Cm-244在 1000 年后是最危险的。而核电站高放射性物质为：铀235约占3%，其余97%主要铀238以及钚，由于半衰期长，放射性在几万甚至几十万年之后对人体才没有伤害。1.2 低放射性核废料：核电站运行过程中产生的除反应核芯外的其他废物，包括沸水，废气，废渣，如工作人员的工作服。低放射性核废料一般半衰期为几十年，处理起来不是很麻烦，但是仍然对人体有害。1.3 核废料的主要来源：1)核武器试验的沉降物(在大气层进行核试验的情况下，核弹爆炸的瞬间，由炽热蒸汽和气体形成大球(即蘑菇云)携带着弹壳、碎片、地面物和放射性烟云上升，随着与空气的混合，辐射热逐渐损失，温度渐趋降低，于是气态物凝聚成微粒或附着在其它的尘粒上，最后沉降到地面。2)核燃料循环的“三废”排放原子能工业的中心问题是核燃料的产生、使用与回收、核燃料循环的各个阶段均会产生“三废”。3）医疗照射引起的放射性污染，由于辐射在医学上的广泛应用，过期的放射源也是一类核废料。4)其它各方面来源可归纳为两类：一、工业、医疗、军队、核舰艇，或研究用的放射源，二、是一般居民消费用品，包括含有天然或人工放射性核素的产品，如放射性发光表盘、夜光表以及彩色电视机，虽对环境造成的污染很低，但也有研究的必要。2 核废料之危害：核废料可以通过多种渠道进入体内，核辐射就是其所具特有的杀伤因素。核废料的危害是由于其具有放射性，主要是 射线、射线、射线、X 射线和中子射线等发生电离和激发作用，对生物体引起辐射损伤。长时间大剂量的接受核辐射，会使细胞器官组织受到损伤，破坏人体DNA 分子结构，有时甚至会导致癌症，或者造成下一代遗传上的缺陷。而且受辐射的人很难与健康的人结婚，他们结婚后出生的婴儿，全部智力迟钝，甚至出现畸形。我们一直强调防患于未然，但是核辐射有时防不胜防，它对人体的危害从来都是无声无息，等你觉察到时，2 一切都晚了。除此之外，核废料还有一种更直接的方式侵入体内。沉降在土壤和悬浮在空气中的放射性微尘可以通过植物根系的吸收、植物叶片的吸附以及植物茎叶上悬浮污染物的表面粘附力作用进入植物体内，并通过食物链最终进入人体。古往今来有很多学者致力于研究核废料的危害，通过查阅文献我以放射性锶为例简要说明其对生物的影响。放射性锶主要来源于核废料以及核燃料的再利用过程，是具有生物学意义的关键核素。沉降在土壤中或者漂浮在空气中的放射性微尘可以通过植物根系的吸收、植物叶片的吸附以及植物。茎叶上悬浮污染物的表面粘附力作用进入植物体内，并通过食物链最终进入人体造成潜在照射危害。此外，放射性锶还可在骨组织内达到相当高的浓度，最终导致骨骼和骨髓的损伤。由于放射性锶在土壤植物体系内迁移、转化、积累的机制尚未研究清楚，人们对有关问题的认识存在缺失，没有引起足够的重视。陈传群等人1研究了“锶对黑麦草生理生化特性及矿质元素吸收的影响”发现高浓度锶对黑麦草产生毒害作用,表现为植株矮化、叶绿素含量降低、生物量下降，且会抑制植物对K、Mg、Fe、Ca的吸收。商照荣2研究了铀的环境污染影响及其对人体健康的危害表明铀对肾脏、免疫系统、对神经系统，生殖生育产生影响并有可能发生以及所谓的“基因毒性”，即有可能发生的DNA 致突和致癌作用。3 核废料之处理方法：核废料的处理方法包括初步处理与长期处理。3.1初步处理：放射性废弃物的长期存储需要将其转化成一个稳定的形式，所以需要先对核废料进行初步处理。在永久性贮存地点选取之前，经过初步处理的核废料一般储存在核电站的硼水池中。初步处理的方法有：1）玻璃化冷冻保存 其中一种方法是玻璃化冷冻保存。方法就是放射物先和糖混合起来，然后煅烧。煅烧时，要将废弃物放在一个加热的、旋转的管子里。煅烧的目的是蒸发掉废弃物中的水，降低裂变物的硝酸盐，从而加强玻璃物的稳定性。煅烧生成物不断被放入一个充满碎玻璃的加热电磁感应熔炉中。生成的玻璃物是将废弃物凝固在玻璃基质中的新物质。这种经过加工处理后的玻璃有超强的防水性。装满玻璃物的柱形容器密封后会放在地下储存室中，以这种方式将其长期保存。2）离子交换 将核工业的废弃物通过离子交换的方式处理是很常见的。经过处理的核废料的放射性将会被解除。例如，可以在水溶液中利用氢氧化铁除去放射性金属混合物中的放射性，放射性同位素会被氢氧化铁吸收，由此产生的沉淀物在形成固定物之前会被放在铁桶中。为了使这种固定物能够产期保存，制作的过程中会使用粉煤灰或高炉煤渣，而不是普通的混凝土。3）合成岩 3 合成岩是一项将废弃物转化成固定形式的复杂方法，这种处理方式最终的形成物可以具有商业用途。合成岩技术是澳大利亚国民大学特德林伍德教授发明的，最初是为处理轻水反应堆的高放射性废物设计的。合成岩中包含烧绿石和锰钾矿。核废料经过一个初步处理之后，如果该核废料为中低放，由于中低放核废料危害小，自由衰变几十年后便能使之成为无害物质，对于其处理方法也比较简单，将核废料密封罐埋在人口密度低的地下一二十米，建好防辐射工程屏障便可。对于高放核废料则需对其进行长期处理，长期处理方法：1）地质处置 这种处理方法的基本概念是寻找到一个广大的、地质结构稳定的领域，通过挖掘技术挖掘深达500 米至1000 米的隧道来储存高放射性废弃物。目的是将其与人类环境永久隔离。但是这对当地的地质要求非常严格，这个地点要求物理环境特别稳定，长久地不受水和空气的侵蚀，并能经受住地震、火山、爆炸的冲击。科学家们实验证明，在花岗岩层、岩盐层以及粘土层可以有效地保证核废料容器数百年内不遭破坏。但数百年后，这些存放地点会不会发生破坏是无法预料的。2）海洋处理 海洋处理包括将废弃物埋葬在稳定的深海平原、能够缓慢得将废物带入地幔的俯冲带，以及远程的天然或人工岛屿。虽然这些方法都各有优点，并有助于国际上解决放射性废弃物的处理问题，但需要海洋法的修正。利用靠近大陆的俯冲带处理核废料没有受到国际协议的禁止。这种处理方法被公认为最具可行性、技术最先进的手段。3）混合再生 这种处理方法在术语上成为混合再生，将高级别废物与铀矿和矿渣融合，使其放射性降到铀矿的原始水平，然后再用活跃性低的铀矿替换。这种处理方法的优点是促进了放射性物质循环再生的周期。4）变形 通过反应堆消耗核废物将其转化成危害性低的废料。如高速中子反应堆可以消耗超铀元素产生无铀废料从而形成核燃料的循环。这种方法曾进行过大量的实验，但后来被美国政府取消。5）太空处理 太空处理是一个具有吸引力的概念，因为它能够永远将核废物从环境中驱除。但它有一个明显的缺陷，尤其是运载火箭发射失败的话，会将放射性物质播撒到世界各地的大气层中，这将是一个灾难性事件。由于庞大的核废料需要大量数目的火箭，因而使太空处理暂时不切实际。3.3 目前世界几个主要代表国家核废料的处理方案：美国 4 早在2002 年，布什政府和美国国会就通过了能源部在内华达州亚卡山区建设一座储存容量约为7 万吨核废料储存基础的议案。该基地拟在距拉斯维加斯市北部 90 英里处的亚卡山区，建一座全国性的核废料储存基地，用于掩埋来自各州的高辐射核废料。但是，由于涉及敏感的法律和政治问题，这项工程迟迟不能开工，以至于何时甚至该核废料储存基地能否建设都是未知数。这一结果直接导致了美国40 多个核电站储存核废料的水池全部爆满，造成了巨大经济损失并使核电站业主状告美国能源部3。德 国-玻璃固化并装入金属容器后深埋 在德国，建立核垃圾终存库的讨论已持续了十多年，政府颁布一项法律，对存放废料终存库技术进行研究。科技人员认定，下萨克森州的戈尔雷本.康拉德等地可作为核废料 终存库。其地理状况十分理想，人口密度小，雨水少、蒸发量大，地壳较稳定，几百米地下 有一个大盐层，可保证核废料库干燥环境。1995年开始存放第一批核废料，以后相继存放过7 批。德国专家认为，到2030 年德国还需建立一个核废料和30 万立方米中低辐射核废料 终存库，以存放预计产生的 2.4 万立方米高辐射核废料和30 万立方米中低辐射核废料3。加拿大-试图将核废料深埋在沉积岩里 目前，加拿大的190 万包核废料临时存放22 座核电站，采用混凝土罐包裹的方式。这些核废料的放射性将维持1 万年以上。加拿大原子能公司、安大略电力公司以及其他有关公司自1978 年以来在如何存放核废料上已经投入了8 亿加元，原来的研究将重点放在如何 将核废料安全存放在花岗岩中。较早期的研究结果表明，“加拿大盾牌”的花岗岩是唯一能够满足数千年安全存放放射性核废料的稳定岩石构造。加拿大政府环境部门也认为该方案是最安全的3.。中国-“亚洲第一坑”安然无恙 中国第一个核武器研制基地地处中国西北部的青海省海北藏族自治州州府西海镇地区，先后研制成功了中国第一颗原子弹和氢弹，被称为中国“原子城”。1995 年全面退役至今，与它相距仅几公里的金银滩就是当时基地工作区内所有的放射性废料被深埋之地，世人称为“亚洲第一坑”。早在核基地退役之前几年间，中国政府就投入巨资对当地受核污染的地面进行了严格去污，并对整个基地工作区及周边地区实施综合性环境治理，尤其是在核废料的填埋中，严格按照国家和国际上的标准，对放射性的固体、液体和气体废弃物等进行了全方位安全处理。核基地退役12 年来，国家有关部门和青海省环保部门从未间断过对核设施放射性污染填埋坑的重点监控。长期检测表明，核基地的放射性污染防治设施运行安全正常，周围 环境辐射处于安全水平。当地的土壤、水质、牧草等各项环境指标完全符合国家和国际标准。十几年来，生活在核基地及“亚洲第一坑”地区的人们从未因核辐射而受过伤害，这里的居民每年受到的最大附加剂量仅为国家标准的千分之一3。5 日本 日本核能政策的核心是核燃料的循环利用 发电过程中用过的核燃料经化学处理后再重新投入使用 尽管如此 这期间产生的核废料仍含有高放射能的废弃物 很难妥善处置 日本每天产生的核废料约吨一年的产出量可装满万个专用密封罐 相当于奥运会的一个游泳池 目前的做法是将核废料埋到地层下面做永久储存首先 在核废料处理加工厂将其与熔融状态的玻璃混合 经高温加热成混合物 使其体积缩小 这些混合物冷却后 就会在不锈钢罐里形成物理性质稳定的玻璃固体 实现核废料的玻璃化 然后深埋到数百米深的地下4。俄罗斯 俄罗斯是第一个将核能和平利用的国家，为世界核能的和平利用做出了表率。在核废料的处理上，由于俄罗斯西伯利亚地区地广人稀，所以俄罗斯和其他国家一样，也一样是采取深埋方法禁锢核废料，而且俄罗斯还代替他国保管核废料，每年收取保管费。但是俄罗斯在核废料的处理上面有很多问题却让世界人民非常的担心。日本曾经控告俄罗斯将核潜艇的将具有放射性的废水排放到日本海域，而且 不止干过一次，并且以此来要挟日本在资金方面给予帮助来处理核废料5。我们知道俄罗斯继承了大量前苏联的核潜艇，而现在这些核潜艇也都到了报废的时间，大量的报废核潜艇都停在北冰洋，对北极的生态环境和周边国家都造成非常大的影响。但是由于俄罗斯每年海军军费有限，根本就没有能力将这么多核潜艇安全处理，所以令欧洲很多国家都头痛6,7。上个世纪的冷战期间，原苏联出于成本等因素考虑，将核武器工厂产生的高放废料直接排入了附近的河流湖泊当中，造成了严重生态灾难3。位于著名的原子能城车里雅宾斯克旁边的加腊苏湖曾经是野生动物的乐园，如今却因受到核废料污染变成了一潭死水，据俄罗斯环保专家称，该湖的生态环境在未来十几万年内都无法得到恢复。由以上各个国家的主要处理方法我们不难看出，深埋处理还是主流的方案。只是在核废料的固化与密封箱的材料等方面不大相同。但是由于永久储藏地点的选取比较困难，目前多数国家还是将高放的核废料采取海洋处理法，即将核废料桶投入到选定的海域4000 米以下的海底去。实验证明，这些核废料桶即使投到6000 米以下的海底也不会破裂、泄漏。就是万一铁桶在海底破裂了，它逸射到海面上来的剂量也只有人体允许摄入量（每年100mrem）的千万分之一，一般不会给人们带来危害。陆地核废料处理有其相合理的一面。高放射性废料则埋藏在几千米以下的深层地壳中，有些并不适于海洋处理，而一旦需要，陆地埋藏的 废料还可以回收。所以大部分国家还是在积极地寻找永久深埋地点，尽可能在的将恶魔禁锢在地下。4 核废料有待解决的相关难点：在当今化石能源垄断天下、人们大力寻求新的清洁高效可替代能源以促进经6 济的可持续发展、改变能源结构、创建环境友好型社会时，核能无外乎为一种最好的选择。但是利用核能所带来的高放废料含有多种对人体危害极大的高放射性元素，其半衰期长达数万年到万年不等，所以如何安全有效地处理高放射性废料一直是国际上讨论和研究的焦点。以后我们会对这个问题做深入的分析。其次，眼下令研究人员感到最棘手的问题并不是资金和技术，而是怎么立警示牌。因为核废料的放射性将至少持续数千年到一万年，如何才能设计出一万年后仍有效的警示牌令科学家们头痛不已。英国军事科学家目前采取在图书馆的文档中保留有关核废料场的所有细节，然后督促工作人员将其“代代相传”，直至千秋万代。不过这只是权宜之计，人工操作很容易造成信息的疏漏，而且如果他们退休或者因特殊原因必须离职，国家必须另外派专人接替他们的工作。美国的核废料比英国多得多。在警示牌方面，美国科学家最先想到的是纪念碑，但这东西通常是用来纪念某个地方或者某一事件的，跟“离远点”的意思相差甚远。经过多年研究，暂时找到了一个解决办法，就是在围墙内设置各种各样的花岗岩石碑，包含各种警告信息。比如最简单的是画一张正在尖叫的人脸，复杂的则包括许多高科技信息。这些技术信息以7种文字表现出来以方便各名族人识别，引起人们足够的重视。另外，科学家还留了一块空白的石碑，以便后人用“未来文字”书写警示语。5 核废料之泄漏 我们研究核能、开发并利用核能不过区区几百年，但是核废料泄漏事件却频频发生。1957 年10 月10 日 位于坎伯兰郡附近的一个英国核反应堆石墨堆芯起火酿成核灾难。大火导致大量放射性污染物外泄，此次核灾难是三英里岛核电站事故发生前最为严重的反应堆事故。1968 年 1 月 21 日 由于舱内起火，美国一架B-52 轰炸机的机组人员被迫作出弃机决定，在此之前，他们本可以进行紧急迫降。B-52 轰炸机最后撞上格陵兰图勒空军基地附近的海冰，导致所携带的核武器破裂，致使放射性污染物大面积扩散。1970 年12 月18 日 在巴纳贝利核实验过程中，美国内华达州加卡平地地下一万吨级当量核装置发生爆炸，实验之后，封闭表面轴的插栓失灵，导致放射性残骸泄漏到空气中。现场的6 名工作人员受到核辐射。1971 年 11 月 9 日 美国明尼苏达州“北方州电力公司”的一座核反应堆的废水储存设施发生超库存事件，结果导致5000 加仑放射性废水流入密西西比河，其中一些水甚至流入圣保罗的城市饮水系统。1979 年 3月 28日 美国三里岛核反应堆因为机械故障和人为的失误而使冷却水和放射性颗粒外逸，但没有人员伤亡报告。1979 年 8 月 7 日 美国田纳西州浓缩铀外泄，结果导致1000 人受伤。1985 年 8 月 10 日 在符拉迪沃斯托克补充燃料过程中，E-2 级 K-431 核潜艇发生爆炸，放射性气体云进入空中。10 名水兵在这起核事故中丧命，另有49 人遭受放射性损伤。1986 年 1 月 6 日 美国俄克拉荷马一座核电站因错误加热发生爆炸，结果造成一名工人死亡，100 人住院。7 1986 年 4 月 26 日 发生的切尔诺贝利核泄漏事故被称之为历史上最严重的核电站灾难。1986 年 4 月 26 日早上，切尔诺贝利核电站第4 号反应堆发生爆炸，更多爆炸随即发生并引发大火，致使放射性尘降物进入空气中。据了解，此次事故产生的放射性尘降物数量是在广岛投掷的原子弹所释放的400 倍。1987 年 9 月 13 日 在巴西的戈亚尼亚，一名垃圾场工人撬开了一个废弃的放疗机，并拆掉了一小块高放射性的氯化铯，灾难就此降临到这座城市，当时共有超过240 人受到核辐射。由于被放射性材料的亮绿色蒙骗，孩子们用手接触并涂抹在皮肤上，导致几个街区污染。1993 年4 月6 日 发生在西伯利亚托木斯克的核事故是由硝酸清洗容器时发生爆炸导致的。爆炸致使托木斯克-7 的回收处理设施释放出一个放射性气体云。1999 年 9 月 30 日 发生在东京东北部东海村铀回收处理设施的核事故是日本历史上最为严重的核灾难。事故发生时，工人们正在混合液体铀。2011 年3 月，里氏9.0 级地震导致两座核电站 反应堆发生故障，其中震后福岛核电站放射性物质泄 漏发生异常，导致核蒸汽泄漏。在3 月12 日发生 小规模爆炸，冷却水直接引入海水，辐射性物质进 入风中，通过风传播到中国大陆，台湾，俄罗斯等 一些地区。为了最大化的降低核废料泄漏的风险，目前而言最行之有效的方法是建立核废料处置库8,在这方面美国曾有过惨痛的教训。美国原计划在1998 年建成高放射性核废料处置库，但由于技术难度过高，尽管美国政府投入了大量财力、人力进行研究，最终还是不得不将建成时间延长至2010 年。由于在核废料处置库建成之前，所有的高放射性核废料只能暂存在核电站的硼水池中，导致了美国40多个核电站储存核废料的水池全部爆满，造成了巨大经济损失并使核电站业主状告美国能源部。如果我们不能及时建成核废料处置库，中国核工业将面临着核废料无处存放的境地，核废料泄漏的威胁将时时存在！6 核废料之反思 放射性物质在给国防带来大规模杀伤性武器、给医疗带来新型仪器、给实验带来新的方法、给世界带来清洁的能源的同时，也给我们带来了无穷无尽的麻烦。特别是对于核电站，各媒体都宣传核电站带来的好处：高效、清洁、无污染等一大堆词语，但是却从来不提核电站所产生的核废料对于社会、对自然、对人类身体健康的影响。在前几年核电的发展在我们国家很受重视，但是日本福岛的核泄漏事件却给我们好好的上了一课，我们都知道核电站就目前的技术水平来说安全性很高，出事的概率很小，但是一旦出事，后果将不堪设想。在上面核泄漏事件中，我们注意到核泄漏的原因主要是操作失误、还有机械故障，还有人为。失误事小，后果很大。本论文从核废料的来源、危害、处理、以及核泄漏事件等方面来对核废料做8 了一个比较完整的介绍，希望人们能对核废料引起重视。无形杀手，需要我们来共同抵御。7 参考文献：1 http:/ 2 陈传群，王寿祥，张永熙，等“锶-89引入方式对其在黑麦草植株中积累的影响”J 核农学报1996，9(4)：212-216)3 唐黎标,世界各国如何处置核废料,民防苑，19-20 4 胡连荣,核电诱人 核废料忧-日本的核废料处理，万象奥秘，2010,2,56 57 5 汪铮，大海不是垃圾场-俄罗斯向日本海域倾倒核废料 6“海底核坟场”威胁全欧洲-海水腐蚀核废料库，可能引发海底大爆炸，防灾博览，2007 第五期，39 7 郭培清 蒋 帅,俄罗斯核污染对北极生态环境的影响,中国海洋大学学报，2010 第 3 期，12 17 8 商照荣铀的环境污染影响及其对人体健康的危害 核化学与放射化学 第25卷 第 1期 2005年 1月 9