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放射性廢料

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放射性廢料是一種包含放射性物質廢料,一般在如核分裂一類的核反應中產生。事實上,一些不與核工業直接關聯的的產業再各自的生產活動中也會排放出一定量的放射性廢料。放射性廢料按其單位體積單位質量放射性強弱共分為高、中、低三級,其中低放射性廢物佔據主要部分,中級與高放射性廢物較少。

一般來說,物質的放射性會隨時間的推移而減弱,所以原則上所有放射性廢料都可以與外界隔絕一段時間,達到使其組分不再能引起危害的目的。醫用放射性物質工業放射性物質封存時間一般為幾小時至幾年,而高級廢料則需要封藏上千年。如今,處置這幾類放射性廢料的主要途徑有:

  • 隔離或貯藏短壽命的廢料;
  • 近地面處理低級廢料和一部分中級廢料;
  • 地下深入保護性掩埋(深地質處置)長壽命的高級廢料。

作為聯合國國際原子能機構的《用過燃料管理安全和放射性廢料管理安全聯合公約》章程的一部分,簽署協議的大部分已開發國家放射性核廢料的儲量及處理辦法的概要會定期地公布並被進行評審。[1]

基本性質[編輯]

放射性廢料都含有放射性同位素——一類因原子核的不穩定而容易發生衰變元素,它們以不同形式、不同強弱進行持續時間長短不同的衰變。衰變中產生的電離輻射不論對人類生命健康還是對自然環境都會造成一定傷害。

物理性質[編輯]

中等壽命裂變產物
項:
單位:
t½
a
產額
%
Q*
KeV
βγ
*
155Eu 4.76 .0803 252 βγ
85Kr 10.76 .2180 687 βγ
113mCd 14.1 .0008 316 β
90Sr 28.9 4.505 2826 β
137Cs 30.23 6.337 1176 βγ
121mSn 43.9 .00005 390 βγ
151Sm 90 .5314 77 β
長壽命裂變產物
項:
單位:
t½
Ma
產額
%
Q*
KeV
βγ
*
99Tc 0.211 6.1385 294 β
126Sn 0.230 0.1084 4050 βγ
79Se 0.295 0.0447 151 β
93Zr 1.53 5.4575 91 βγ
135Cs 2.3  6.9110 269 β
107Pd 6.5  1.2499 33 β
129I 15.7  0.8410 194 βγ

放射性廢料中含有的所有放射性同位素都具有各自的半衰期(使自身的一半衰變為其他物質所需要的時間),最終放射性廢料會衰變作完全不具放射性的物質。某些用過燃料中的放射性元素(如鈽-239)在自然放置上千年後對人類及其他生命仍然還是有害的,另外,甚至還存在上百萬年都不能衰變完全的同位素。因此,這些廢料必須被封存幾個世紀並與自然環境隔離更長時間。[2]某些元素具有較短的半衰期(如碘-131的半衰期約為8天),所以相對於其他放射性元素而言,它們造成的危害較小,不過它們在衰變初期由於衰變急劇,其實更加活躍、危險。右側的兩張表給出了幾種主要的放射性同位素的資料,包含它們各自的半衰期和它們作為鈾-235裂變產物的裂變產物產量。

一種同位素衰變得越快,它的放射性越強。某種純的放射性物質的危險程度是由它衰變產生的輻射種類與能量等重要因素界定的,而這種物質的活潑性擴散入環境及被生物吸收的難易程度則由它的化學性質決定。對於許多不能很快衰變至較穩定的狀態,而是繼續產生放射性衰變產物或引起衰變鏈的放射性同位素,它們和自身的衰變產物的性質和影響更加複雜。

藥代動力學性質[編輯]

錒系 半衰期 裂變產物
244Cm 241Pu f 250Cf 243Cmf 10~30 y 137Cs 90Sr 85Kr
232 f 238Pu f代表
裂變
69~90 y 151Sm nc➔
4n 249Cf  f 242Amf 141~351 y 沒有半衰期為
102年至2×105
的裂變產物
241Am 251Cf  f 431–898
240Pu 229Th 246Cm 243Am 5~7 Ky
4n 245Cmf 250Cm 239Pu f 8~24 Ky
233U    f 230Th 231Pa 32~160 Ky
4n+1 234U 4n+3 211~290 Ky 99Tc 126Sn 79Se
248Cm 242Pu 340~373 Ky 長壽命裂變產物
237Np 4n+2 1~2 My 93Zr 135Cs nc➔
236U 4n+1 247Cmf 6~23 My 107Pd 129I
244Pu 8 My >7% >5% >1% >.1%
232Th 238U 235U    f 0.7~12 By 裂變產物產額

暴露在高強度的放射性廢料的輻射中可能會導致嚴重損傷,甚至死亡。對成熟動物進行輻照或其他能導致變異的處理(如化學療法中的細胞毒類腫瘤藥物治療,該藥物本身也是致癌物),可能導致該生物體患上癌症。經計算,5西弗的輻射劑量對於人類已是致命。另外,一劑0.1西弗的輻射令人死亡的機率是8‰,該機率隨單劑劑量每增加0.1西弗增加一倍。[3] 電離輻射可能導致染色體片段的缺失。[4] 如果一個發育中的有機體(如未出生的嬰兒)接受了輻射,可能會導致先天性畸形先天性疾病,不過這些缺陷卻不會出現在同樣接受了輻照形成的配子或由配子融合形成的細胞中。由於人們對輻射誘變的機理尚不明確、不能以人類意志控制人工誘變的結果,所以由輻射導致的突變對人類的影響仍是不定向的(既不能預期它對人類的影響是利是弊)。[5]

暴露在放射性同位素的輻射中的危險性取決於該放射性同位素的衰變形式及該放射性同位素所屬元素的藥物動力學性質(即該元素的代謝方式與代謝速度)。例如,雖然碘-131是一種短壽命、並以β、γ兩種形式衰變的放射性同位素,但它卻因為會在甲狀腺中聚集而對生命體造成比一般以水溶性化合物形式存在的銫-137更大的傷害(能溶解中的物質更易隨尿液排出)。同樣地,主要以α衰變錒系元素(如等),由於它們一般具有較長的生理學半衰期與較高的線性能量轉移值,所以也被認為對生命體有較大危害。因為在上述幾個方面的不同,放射性同位素能造成的生理學損傷較難簡單判斷。

來源[編輯]

放射性廢料的來源有很多種,其中最主要的包括核燃料循環核武器再加工。其他來源包括醫用放射性物質、工業放射性物質及在加工、使用一些化石燃料(如石油天然氣)或其他礦物的過程中濃縮天然放射性物質(naturally occurring radioactive materials,NORM)。

首端[編輯]

核燃料循環首端產生的放射性核廢料一般為以α衰變的鈾的萃取物。這些物質中常常含有鐳以及鐳的衰變產物。

鈾礦中採集的二氧化鈾(UO2)的放射性其實並不十分強——大約只是建築中使用的花崗岩的放射性強度的幾千倍。人們將這些鈾的氧化物精鍊得到八氧化二鈾(U2O8),再轉化成六氟化鈾(UF6氣體。經過濃縮,鈾-235的含量可由原來的0.7%提升至4.4%(低濃縮鈾,LEU)。最後,經過一系列的反應,六氟化鈾還原成質地堅硬的陶狀氧化物作為核反應爐中的核燃料。

濃縮鈾的過程中,主要的副產物是耗乏鈾(depleted uranium,DU),其主要含有鈾-238同位素,而鈾-235的含量只佔3‰。多餘的六氟化鈾及八氧化三鈾都會被封存起來。部分因其具有很大的密度而在一些特殊的領域有較高的應用價值反坦克武器的外殼。[6][失效連結]它也常與回收後得到的鈽一起用於製造混合氧化物燃料(mixed oxide fuel,MOX),並以其「稀釋」儲存在核武器中的需要由武器級核燃料轉變為工業級核燃料高濃縮鈾(HEU)。這一稀釋的過程也被稱作濃縮鈾稀釋,這也意味著任何已獲得成品核燃料的國家或組織需要反演武器裝配前的十分複雜、昂貴的濃縮過程。[7][失效連結]

末端[編輯]

核燃料循環的末端的用過燃料棒主要含有以β衰變γ衰變的裂變產物、α衰變的錒系元素(如鈾-234錼-237鈽-238鋂-241),有時還含有輻射中子的放射性同位素(如)。這些同位素都是在核反應爐中產生的。

明確從已被利用過的核燃料的後處理中重新獲得核燃料的過程是十分重要的。現在人們所使用的核燃料含有高放射性裂變產物,其中大部分是良好的中子吸收劑,專業上也被稱為「中子毒物」。由於它們不斷吸收中子,最終達到「飽和」導致鏈式反應停止——甚至連從爐心中取走用於抑制反應的控制棒也不能使反應繼續的程度。這樣的核燃料被視為「已經用盡」,雖然其中仍含有大量的鈾-235和,但還是需要用新的核燃料來取代它們。在美國德國中國,這些已被利用過的核燃料主要被以不同方式貯存起來;而在俄羅斯英國法國日本印度等國,它們經過後處理除去其中的穩定裂變產物後得到再利用。俄羅斯等國對利用過的核燃料的處理過程中包含對高放射性材料的處理,從中獲得的裂變產物是濃縮的高級廢料形式存在的。這些國家都以鈽單循環(single plutonium cycle)的形式進行核燃料後處理,印度是世界上已知的唯一一個致力於鈽複合回收(multiple plutonium recycle)計劃的國家[8]。鈽回收有兩個顯著的好處:經過後處理的核燃料變得不能再被利用於核武器的製造,但作為工業核燃料,它的利用效率可以很高。印度的鈽反應爐以實現接近典型商業核反應爐的4倍的燃燒效率。[8]

與化石燃料的比較[編輯]

有主張認為,核能在任一方面的污染都遠不及化石燃料的燃燒所造成的嚴重。[9][10]2004年,英國廣播公司(BBC)的一篇報導中提到:「世界衛生組織(WHO)認為每年全世界約有3百萬人死於由車輛工廠排放的廢氣可吸入顆粒造成的室外空氣污染;此外,每年還有6萬人死於固體燃料燃燒引起的室內空氣污染。」 [11] 在美國,化石燃料產生的廢物與每年大約兩萬人的死亡有關。[12] 一個火力發電站與相同功率的核電廠相比,火力發電站所釋放的輻射強度是核電廠的10倍。[13] 根據估計,在1982年美國的燃煤活動所釋放出的幅射量甚至比三哩島核事故的輻射量高155倍。[14]

自然的例子[編輯]

有一個例子証明了放置大量放射性廢料在地下是安全且可靠的。 在20億年前的非洲西部奧克洛,一個天然,存有大量放射性鈾礦在地下開始了其衰變過程。這個天然的核裂變反應爐持續運作了數百萬年,那些鈾衰變成和其他與現今的高放射性廢物一樣的物質。儘管當時在該地區存有大量的地下水,但這些物質依然不會滲入水中污染環境,並全部衰變成其他非放射性元素。[15]

世界核能協會提供了一個比較不同形式的能源生產造成的死亡數字。在他們的統計數字中,死亡人數是以每千瓦時/年所計算出來的。根據在1970 至 1992年間的數據顯示,有885人的死是和水力發電有關 ; 有342人的死是和燃煤發電有關 ; 有85人的死是和天然氣發電有關而有8人的死則與核能發電有關。[16]

核燃料的成分以及長遠的放射性活動[編輯]

比較三種不同的核燃料類型裏所含有的鈾-233的放射性活動的曲線圖表
比較三種不同的核燃料類型的總放射性活動的曲線圖表

在計劃使用核燃料的同時,我們必須要考慮到如何妥善地處理放射性衰變期長的核廢料,亦即是制訂一套完整的核廢料處理方案。嚴格來說,那些放射性衰變期長的核廢料(高放射性廢料),在制訂核廢料處理方案的過程中佔有一個很重要的地位,是最迫切需要解決的問題。而由不同類型的核燃料所造成的核廢料,其廢料處理方案也會有所不同。

使用釷的核燃料[編輯]

而其中一個例子是使用的核燃料,釷-232會通過吸收慢中子而變成可作核燃料之用的鈾-233,所以在裂變的過程中核燃料裏通常都會存有鈾-233,而鈾-233半衰期則有15.9萬年。而其放射性衰變將會長期佔有著核燃料的周期(由採礦衰變完全結束)達100萬年之久。而從右上角的曲線圖表可以看出三種不同的核燃料類型裏所含有的鈾-233放射性活動的比較。

核燃料的活性[編輯]

而那些核燃料通常被分為三種,它們分別使用反應爐級鈽,與武器級鈽混合氧化物燃料。而不同的核燃料,具有不同的活性曲線。關於反應爐級鈽武器級鈽在一百萬年內鈾-233的量可以從右上角的曲線圖表中看出。由此可見,鈾-233的量與三種不同的核燃料類型的放射性活動有著密切的關係。而正因為混合氧化物燃料並不存在鈾-233,所以相對地它的活性便會較其他的低。相反,反應爐級鈽武器級鈽有較高的活性,因為它們含有混合氧化物燃料沒有的鈾-233

醫療[編輯]

醫用放射性物質往往包含能放射β粒子γ射線的物質。它們可以被分為兩大部分。在核醫學的診斷中常用到的一些短壽命γ射線放射物如鍀-99m,它們的只要在像普通垃圾一樣處理前先放置一段不長的時間已令其衰變至穩定狀態。其他醫療中常用到的放射性同位素(括號內為各自的半衰期)包括:

工業[編輯]

來源於工業的廢料可能包含能放射α粒子、β粒子、中子或γ射線的物質。γ射線放射物主要用於造影,而中子放射物的用途則很廣泛:例如石油測井[17]

天然放射性物質(NORM)[編輯]

「天然」具有放射性的物質稱作「NORM」。這類廢料主要為從鈾衰變鏈或釷衰變鏈中產生的阿爾法粒子放射物。人體放射性的來源則為-40(40K)。根據大部分岩石的成分可推斷出它們都是具有一定的、但微弱的放射性。

煤炭的放射性[編輯]

煤炭含有少量的放射性鈾,鋇,釷和鉀,純煤比起那些放射性物質地殼中的分佈量更低。與純煤相比,一些碳化程度低的煤(「髒」煤),如泥炭褐煤擁有更高含量的放射性物質(雜質),而這些雜質會在煤燃燒時以懸浮物的型態釋放至大氣。[18].[19] 正因為'髒'煤的灰分(不能燃燒的部分)含量高, 以致它們在燃燒時會釋放出活躍的有害物質。而「髒」煤灰的放射性則與焦煤相等但比磷灰石低,但更令人關注的是煤燼所造成空氣污染[20]

石油和天然氣的放射性[編輯]

石油天然氣處理工廠所排放出的廢料普遍都含有及其同位素,從油井中抽取出來的硫酸鹽化合物裏富含,而井裏的石油天然氣則富含。當這些衰變後便形成其他固態放射性同位素並在鑽油管道內形成一層覆蓋物。在石油處理廠裏的丙烷生產區最容易受放射性污染,因為丙烷處於同一個分餾層。[21]

處理放射性廢料[編輯]

一個盛載中至高級放射性廢物的高科技容器。

放射性廢料要監測 300 年才可以確定其安全穩定性,可是有些核廢料是屬於高放射性廢料,就算監測 300 年也沒用,因為毒性是一點也不會衰退。以- 99(半衰期21.1萬年)和- 129(半衰期1,570萬年)為例,它們需要放置最少3000年才能有效地減低其放射性。而比它們更棘手的還有超鈾元素(比鈾重的放射性元素混合物)裡面的- 237(半衰期214.4萬年)和-239(半衰期2.41萬年)。 [22]

要妥善地處理這些核廢料需要到一定程度的技術和嚴密的監控,以隔除這些放射性廢料生態人類的威脅。其次就是訂制一個長期,穩定的管理方案包括貯存,處置或者把核廢料轉化成對環境無害的方式棄置[23] ,而世界各國政府正在考慮一系列的核廢料管理和處置方案,並在長遠的廢物管理方案上取得了一部分的進展。[24]

初步的放射性廢料處理方法[編輯]

核廢料玻璃化[編輯]

要有效地長期儲存放射性廢物便要把它們轉換成一種穩定, 長期不會降解(因為降解時會產生大量的崩解並使廢液沸騰,產生放射性氣體,增加儲存桶的壓力並發生洩漏。)和發生反應的方式儲存。而將之玻璃化就能做到這一點。[25] 目前塞拉菲爾德已經開始採用這一種方式來儲存放射性廢物,首先把廢料(液)與類物質混合後煅燒,而焙燒的目的就是要去除硝酸鹽和蒸發掉多餘的份,以增加其穩定性。[26]

煅燒後所產生的成品(成品A)會被引入到一個充滿玻璃碎片的熔爐[27],之後便把尚未冷卻的液態混合物分批倒入圓形的不銹鋼容器內。當它們冷卻凝固時這些玻璃碎片把成品A結晶化成為一種高度防水(這樣就能防止它們滲漏)的放射性玻璃[28] 不銹鋼容器填滿後便會被密封焊接,經過清潔和外部污染檢查後,便會儲存在地下倉庫內開始持續數萬年的衰變過程[29]

在不銹鋼容器內的放射性玻璃通常是表面有黑色光澤的物質。在英國,這些放射性玻璃都是通過遠端控制進行試樣製備的。放射性玻璃中的糖是用來控制釕的化學作用和制止它形成含揮發和爆炸性和具有放射性(因含釕- 106RuO4。在西方國家,那些碎玻璃原料通常是硼矽酸鹽玻璃(類似耐熱玻璃),而前蘇聯通常使用磷酸鹽玻璃。那些在玻璃裏的核廢料的量必須加以限制因為有些金屬例如系的金屬不能與玻璃結晶化。[30] 德國已經擁有一間正在運作中的核廢料玻璃化工廠,用來重新處理舊有,已被封存的核廢料[26][31]

海拋核廢料地點與數量。
SU=蘇聯 (39,243TBq), GB=英國 (35,088TBq), CH=瑞士 (4,419TBq), BE=比利時 (2,120TBq). 法國 (354TBq), 德國 (0.2TBq), 義大利 (0.2TBq), 荷蘭 (336TBq), 瑞典 (3.2TBq) 包含在 GB記號, 俄羅斯 (2.8TBq) 包含在 SU記號. US=美國 3,496TBq, 日本 15TBq, 韓國 ?TBq, 紐西蘭 1+TBq。

參考資料[編輯]

  1. ^ Austria. Joint Convention on the Safety of Spent Fuel Management and on the Safety of Radioactive Waste Management [聯合國國際原子能機構放射性廢料管理安全聯合公約]. Ns.iaea.org. [2014-08-03]. 
  2. ^ Radioactive Waste Project [放射性廢料計劃]. Nuclear Information and Resource Service. 
  3. ^ Goldstein, Inge, Martin Goldstein. How much risk?(有多大危險?)Oxford University Press,2002. ISBN 0-19-513994-1
  4. ^ Gofman, John W. Radiation and human health(輻射與人類健康). San Francisco: Sierra Club Books, 1981,787.
  5. ^ Gofman, John W. Radiation and human health(輻射與人類健康). San Francisco: Sierra Club Books, 1981, 760-849.
  6. ^ 關於耗乏鈾的常見問題. Janes.com. [2014-08-03]. 
  7. ^ 百萬噸變百萬千瓦計劃. America.gov. 2013-10-07 [2014-08-03]. 
  8. ^ 8.0 8.1 Continuous Plutonium Recycling In India: Improvements in Reprocessing Technology [印度的可持續鈽回收:後處理技術的發展] (英文). 
  9. ^ David Bodansky. The Environmental Paradox of Nuclear Power. Oxford University Press. [2008-01-31]. "(reprinted from Environmental Practice, vol. 3, no. 2 (June 2001), pp.86–88" 
  10. ^ Some Amazing Facts about Nuclear Power [關於核能的一些不可思議的事實]. 2002-08 [2008-01-31]. 
  11. ^ Alex Kirby. Pollution: A life and death issue [污染:一個生死攸關的問題]. BBC新聞. 13 December 2004, [2008-01-31]. 
  12. ^ Don Hopey. "State sues utility for U.S. pollution violations". 匹茲堡郵報. June 29, 2005 [2008-01-31]. 
  13. ^ Alex Gabbard. Coal Combustion: Nuclear Resource or Danger [煤的燃燒:核能的機遇還是危機]. Oak Ridge National Laboratory. [2008-01-31]. 
  14. ^ Nuclear proliferation through coal burning — Gordon J. Aubrecht, II, Ohio State University
  15. ^ 2007-11. World-nuclear.org. [2014-08-03]. 
  16. ^ Safety of Nuclear Power Reactors. 
  17. ^ Nuclear Logging [核測井]. [2009-07-07]. 
  18. ^ Cosmic origins of Uranium
  19. ^ Coal Combustion - ORNL Review Vol. 26, No. 3&4, 1993. Ornl.gov. [2014-08-03]. 
  20. ^ U.S. Geological Survey, Radioactive Elements in Coal and Fly Ash: Abundance, Forms, and Environmental Significance, Fact Sheet FS-163-1997, October 1997, retrieved September 2007
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  22. ^ Vandenbosch, Robert, and Susanne E. Vandenbosch. 2007. Nuclear waste stalemate. Salt Lake City: University of Utah Press, 21.
  23. ^ M. I. Ojovan, W.E. Lee. An Introduction to Nuclear Waste Immobilisation, Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam, 315pp. (2005)
  24. ^ See, for example, Paul Brown, 'Shoot it at the sun. Send it to Earth's core. What to do with nuclear waste?', The Guardian, 14 April 2004.
  25. ^ M. I. Ojovan, W.E. Lee. An Introduction to Nuclear Waste Immobilisation, Elsevier, Amsterdam, 315pp. (2005)
  26. ^ 26.0 26.1 National Research Council. Nuclear Wastes: Technologies for Separation and Transmutation. Washington DC: National Academy Press. 1996. 
  27. ^ Laboratory-scale vitrification and leaching of Hanford high-level waste for the purpose of simulant and glass property models validation. [2009-07-07]. 
  28. ^ Ojovanm M.I. et al. Corrosion of nuclear waste glasses in non-saturated conditions: Time-Temperature behaviour (PDF). 2006 [2008-06-30]. 
  29. ^ OECD Nuclear Energy Agency. The Economics of the Nuclear Fuel Cycle. Paris: OECD Nuclear Energy Agency. 1994. 
  30. ^ Waste Form Release Calculations for the 2005 Integrated Disposal Facility Performance Assessment (PDF). PNNL-15198. Pacific Northwest National Laboratory. 2005-07 [2006-11-08]. 
  31. ^ Hensing, I., and W. Schultz. Economic Comparison of Nuclear Fuel Cycle Options. Cologne: Energiewirtschaftlichen Instituts. 1995. 

延伸閱讀[編輯]

  • Babu, B.V., and S. Karthik, Energy Education Science and Technology, 2005, 14, 93–102. An overview of waste from the nuclear fuel cycle.
  • Bedinger, M.S. (1989). Geohydrologic aspects for siting and design of low-level radioactive-waste disposal [U.S. Geological Survey Circular 1034]. Washington, D.C.: U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey.
  • Fentiman, Audeen W. and James H. Saling. Radioactive Waste Management. New York: Taylor & Francis, 2002. Second ed.
  • Hamblin, Jacob Darwin (2008). Poison in the Well: Radioactive Waste in the Oceans at the Dawn of the Nuclear Age. Piscataway, NJ: Rutgers University Press.
  • Hewitt, Robin (1985). Outer Space: the Easy Way Out?, Sierra Club Radioactive Waste Campaign, N.Y., NY, 1985. ([1]).
  • Nuclear and Radiation Studies Board. (NRSB) Going the Distance? The Safe Transport of Spent Nuclear Fuel and High-Level Radioactive Waste in the United States [2] ISBN 0-309-10004-6

外部連結[編輯]