0 引　言

核能有2个最典型的应用：一是它的和平利用——核电，二是它的军事应用——核武器。

核能是原子核发生裂变或聚变时所释放的能量，它比燃烧、炸药爆炸等化学反应所释放的能量大百万倍以上。原子弹和核电站都采用核裂变原理，核聚变在军事方面也已经取得了成功。1952年，美国和苏联先后爆炸了氢弹，我国的第一颗氢弹于1967年爆炸成功。核聚变反应堆一旦研制成功，可以为人类提供清洁和取之不尽的能源。但有效控制核聚变还有许多难题需要解决，目前没有实现工程化。本文重点讨论核裂变放射性污染。

1 放射性的本质

1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线。X 射线是波长很短、能量很大的电磁波，具有波动性的一切特点。1898年，法国物理学家居里夫人从铀矿中发现了新元素钋，4年后她又发现了镭。居里夫人建议把物质能够自发发出射线的性质称为放射性。

具有一定数目的质子和一定数目的中子的原子叫做核素。元素是具有相同质子数（核电荷数）的同一类原子的总称。质子数相同，而中子数不同（因此原子量不同）的核素属于同一化学元素，在元素周期表中占据相同的位置，叫做同位素。

目前已发现的元素有118个，其中稳定元素81个。核素约2 000余种，其中稳定核素约300种。原子序数在84以上的核素均不稳定，会衰变为较轻的稳定核素，具有放射性；原子序数在83以下的核素，绝大多数有稳定同位素^[1]。

不稳定核素，也称为放射性核素，在自发衰变向稳定态过渡，成为新核素的同时，会释放出一种或多种电磁波或粒子，也称之为射线，主要包括α射线（氦原子核）、β射线（电子）和γ射线（光子），这种现象称为放射性。

2 核裂变能的应用 2.1 核裂变能

铀、钚等一些不稳定的核素能自发分裂成2～3个原子核，释放2～3个中子，发出很大的能量，称为自发裂变。由外来中子撞击产生的核素裂变，称为感生裂变。

中子轰击铀-235或钚-239引起裂变:

n+²³⁵U（或²³⁹Pu）→A₁+A₂+νn+E。

式中：n是中子；A₁，A₂为裂变后的2个核碎片；ν是每次裂变释放的中子数；E是每次裂变释放出的能量（约为200 MeV，1 MeV=1.6×10^-13 J，1 MeV即1兆电子伏特）^[2]。

2.2 裂变链式反应

一个中子引发铀原子核裂变时，会同时放出2～3个中子，如果释放出的中子再撞击其他铀核产生裂变，会使裂变反应持续下去，称为链式裂变反应。如果链式裂变反应不依靠外界的作用能持续下去，称为自持链式裂变反应。根据一次裂变反应所直接引起的反应次数平均小于、等于或大于1，链式裂变反应可分为次临界、临界和超临界3种状态。超临界状态下，裂变链式反应不但可以自持，而且裂变的数目一代代增加；次临界状态下，裂变数一代代减少，最终裂变停止；临界状态下，每代裂变的原子核数保持一致，链式反应可以自持下去。

2.3 原子弹

原子弹利用90%以上高浓缩铀-235或钚-239等易裂变物质为燃料，在不可控的超临界状态下进行裂变链式反应。

1 kg铀-235有2.5×10²⁴个原子核，全部裂变释放的能量

W=2.5×10²⁴×200×1.6×10^-13=8×10¹³ J。

1 kgTNT炸药爆炸释放4.19×10⁶ J的化学能，1 kg核材料全部裂变释放的能量约为2万吨TNT炸药释放的能量^[2]。

2.4 核裂变反应堆

核能的和平利用比其军事应用要晚，原因之一是核能要真正被利用，必须要使核裂变反应连续、可控地进行，难度更大。

核反应堆不能像原子弹一样使用高浓缩铀-235，因为其临界体积太小，裂变不易控制。一般使用5%左右的浓缩铀，这样可以大大增加临界体积，达到施加控制、实现核能缓慢释放的目的^[3]。

铀裂变释放出来的中子能量高，为1-2 MeV。而实验证明能量为0.025 eV的中子（热中子）最容易引发铀-235的裂变。反应堆使用普通水、重水、石墨等慢化剂来慢化中子^[4]。近来研制的快中子反应堆（快堆），使用20%～30%以上的浓缩铀，不再使用慢化剂。

3 核废料的产生过程

制造原子弹和发展核电都会产生核废料。核电站和原子弹用于裂变反应的燃料是铀，对铀的利用是一个庞大的核燃料循环系统工程。压水堆铀燃料循环的主要工艺流程如图1所示。

3.1 铀矿开采冶炼

铀在天然矿石中的含量很低，只要矿石中含铀率在0.05%以上就值得开采。铀矿开采冶炼过程中会产生废气、废水和废渣等“三废”物质，具有一定的放射性，影响和破坏周围生态环境。据统计，在我国，每生产1 t铀产生1 200～5 000 t废石。截至2010年底，我国铀矿采掘出来的废石总量约为2.8×10⁷ t；铀水冶厂排出的尾砂量约3×10⁷ t^[5]。

铀废石、尾矿及废水中的放射性核素含量可比本底高2～3个数量级，铀矿冶系统对公众集体剂量的贡献约占整个核燃料循环系统对公众集体剂量贡献总量的93%^[6]。

3.2 铀转化

铀转化是核燃料循环系统的重要环节，目的是把天然铀等铀化物转化为六氟化铀，以便进行铀浓缩。

国内目前以5%左右的碳酸钠溶液对铀转化过程中的含铀、氟尾气进行淋洗净化处理。以1 000 tU/a的UF₆转化量计，每年产生60～70 t低放射性氟化钙渣，5 000～6 000 m³的低放射性废液，这些低放废物目前采取暂时集中储存方式。随着生产规模的扩大，储存压力增大^[7]。

3.3 铀浓缩

贫铀是核燃料加工产业链中铀浓缩生产环节的主要副产品，其初级形态主要是贫化六氟化铀（DUF₆）。从天然铀原料生产1 t丰度为3%的浓缩铀，会产生约4.5 t的DUF₆。浓缩铀丰度越高，产生的DUF₆越多^[8]。全球铀浓缩工业化生产至今，累积存放了约200万吨贫铀，且多以贫化六氟化铀的形态暂存在钢制容器中^[9]。DUF₆具有放射性和化学毒性，一旦泄漏危害很大，需要重视其安全管理和处置问题，开展应用转化等方面的研究。

3.4 核燃料元件制造

核化工转化是核燃料元件制造过程中产生废物的主要环节。目前核化工转化主要采用ADU（Ammonium Diuranate）湿法生产和IDR（Interrated Dry Reactor）干法生产等工艺。ADU湿法生产工艺目前被美、日等国广泛使用，技术成熟、可靠，生产能力强，但需要处理放射性废液；IDR干法生产工艺流程短，产生的废液少，对环境污染小。目前我国核燃料元件生产线产生的放射性废物包括液态、固态、气态3种形式，由于国内废物焚烧技术和不可燃废物处置技术不成熟，生产厂内暂存大量放射性固体废物，存在较大的环境安全隐患^[10]。

3.5 核反应堆运行

核反应堆是可控的链式裂变反应装置，其运行时会产生各种放射性物质，主要包括：核裂变产物、感生放射性物质和未反应的核装料等。

3.5.1 核裂变产物

研究表明，核反应堆工作时，热中子轰击铀-235发生裂变时，1个铀-235至少有60种不同分裂途径，裂变碎片有120多种^[11]。

核反应堆正常运行过程中产生的裂变产物绝大部分包容在燃料元件的包壳内，但仍有极少量会泄漏到一回路冷却剂中。同时反应堆运行过程中会形成中子活化产物。这些裂变产物和活化产物是反应堆冷却剂中的放射源，会通过冷却剂的净化等过程污染二回路。因此，核反应堆的放射性废液根源是一回路冷却剂^[12]。

3.5.2 感生放射性物质

感生放射性是指原本稳定的材料因接受了特殊的辐射而产生的放射性，也是一种人工放射性。中子活化是感生放射性的主要形式。当自由中子被原子核俘获时会形成新的同位素，这种同位素不一定稳定，它的性质取决于原来的元素。一些核反应堆会产生高能中子流，能引发感生放射性。这些反应堆的组件也会因为受到强烈辐射而具有很强的放射性，感生放射性会增加核废料的数量。

3.5.3 未反应的核装料

核反应堆进行的裂变反应一般只能利用成品料的1%～2%，其余98%～99%的残留物被视为贫铀，当作核废料处理^[13]。

4 核废料及其处理

核废料泛指在核燃料生产、加工和核反应堆用过的不再需要的并具有放射性的废料^[14]，根据放射性水平可分为中低放射性核废料和高放射性核废料。核废料中的大部分都是中低放射性废料。高放废料含有核反应堆产生的核裂变产物和超铀元素，放射性占核电站所产生的全部放射性的95%还多。

核废料难以循环再利用且具有长期危害性，特别是半衰期长的核废料危害持续时间长，处理困难。美俄等国20世纪40年代便开始对中、低放射性废物的地质处置进行研究，目前普遍采用陆地浅埋法、废矿井处置法、深地质处置法等比较成熟的处置方案。高放射性废物所含辐射体寿命长、放射性强、衰变热多，对处置方法和地点要求高。目前存储高放废物进入实施阶段的只有深地质处置法。总体来说，高放废物的处理仍处于探索阶段^[15]。

核反应堆中经过辐射照射，不能继续使用的核燃料叫乏燃料，属于高放废料。来自世界核学会的数据显示：占比3%的高放废料贡献了95%的放射性^[16]。国际上有2种处理乏燃料的方法：一种是法国、英国、日本、印度等采用的“闭式核燃料循环”，对乏燃料进行后处理，回收铀和钚进行重复利用；一种是美国、西班牙、瑞典等采用的“开式核燃料循环”，不对乏燃料进行后处理，直接永久贮存。

要分离出乏燃料中未裂变的铀-235和新生成的钚-239，需对乏燃料进行后处理。乏燃料中99.9%以上的裂变物在后处理过程中进入硝酸萃取液中，形成高放射性废液。后处理过程还产生大量低、中放射性废物。据统计，乏燃料后处理过程中产生的核废物体积是原乏燃料体积的160倍。例如，体积为4 m³的乏燃料经后处理后，可产生低、中、高放废物的体积分别为600 m³，40 m³ 和2.5 m³。

5 科技进步对核放射性污染的影响

科技进步逐步减少了核废料的数量。

生产1 t铀金属，传统工艺产生数百吨放射性固体废渣，1万吨废水，5×10⁶ Bq（Bq即贝克勒尔，当放射性元素每秒有一个原子发生衰变时，其活度即为1 Bq）氡气；而地浸法产生的放射性固体废渣只有几千克。采用原地爆破浸出工艺，80%～85%的铀矿石留在原地作浸出处理，生产工序简单，废石与废水对地表的污染少^[17]。

气体扩散技术和气体离心技术是实现工业化应用的2种铀浓缩技术。气体扩散技术可靠耐用，但耗电量大、成本高，逐步被能耗低、经济性好的气体离心技术所替代。激光铀浓缩技术被认为是最有可能实现工业化应用的更为先进的铀浓缩技术，可以更加充分地利用铀资源。

目前全球运行的核电机组主要有6种类型，分别为压水堆、沸水堆、重水压水堆、气冷堆、轻水冷却石墨慢化堆和快堆。据2014 年对全球运行的438个核电机组的统计，目前全球核电市场以压水堆为主，占63.2%；其次为沸水堆和重水压水堆，分别占18.3%和11.2%^[18]。从原型堆到压水堆、沸水堆、重水堆，再到AP1000、欧洲压水堆和先进沸水堆，反应堆功率大幅度提高。

2011年日本福岛和1986年苏联切尔诺贝利的沸水堆核事故，促使各国不断改进技术，逐步提高核电站的安全性。近年来，快中子堆等核能技术发展迅速，显著提高了核反应堆的运行安全性和铀资源的利用率，但仍然缺乏对核燃料循环的全盘规划，不能解决核废料的安全处置等核心问题。

6 结　语

核电是否安全、清洁、经济，既要与煤电、水电、风电等进行横向比较，更要认真分析研究核燃料循环的全寿期过程。核废料永久处理是一个世界性难题，迄今为止，人们还没有找到安全、永久处理存放核废料的好办法。