（來源：麻省理工科技評(píng)論）

核電站貢獻(xiàn)了全球 10% 的發(fā)電量，但每年會(huì)產(chǎn)生約 1 萬噸的乏燃料（spent fuel，核反應(yīng)堆中經(jīng)輻照、燃耗達(dá)標(biāo)后卸出的用過的核燃料）廢料。

目前全世界處理核廢料的方式，既有創(chuàng)意又五花八門：泡在水池里、封進(jìn)鋼罐中、埋到地下幾百米深處。但隨著新型核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，核廢料管理可能面臨新的變數(shù)。

目前運(yùn)行中的核電站反應(yīng)堆大多遵循相似的基本藍(lán)圖：使用低濃縮鈾作為燃料，用水冷卻，體積龐大，建在集中式電站里。但一大批新型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)可能在未來幾年投入運(yùn)行，屆時(shí)可能需要對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)做出調(diào)整，以確保它們能處理新產(chǎn)生的廢料。

“這一大批新型反應(yīng)堆和燃料類型是否會(huì)讓廢料管理變得更容易，沒有統(tǒng)一的答案，”憂思科學(xué)家聯(lián)盟（Union of Concerned Scientists）核電安全主任埃德溫·萊曼（Edwin Lyman）說。

核廢料處置手冊(cè)

核廢料大致可以分為兩類：低放射性廢料，比如醫(yī)院和研究中心受污染的防護(hù)設(shè)備；以及高放射性廢料，后者需要更謹(jǐn)慎的處理。

按體積計(jì)算，絕大部分是低放射性廢料。這類廢料可以就地存放，一旦放射性衰減到足夠低的水平，基本可以當(dāng)作普通垃圾處理（需要一些額外的預(yù)防措施）。高放射性廢料則放射性強(qiáng)得多，溫度也往往很高。這一類廢料的主體是乏燃料，是多種材料的混合物，包括鈾-235——核燃料中的可裂變部分，核電站維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就靠它。乏燃料中還含有裂變產(chǎn)物，也就是原子裂變釋放能量時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物，其中一些具有放射性。

許多專家認(rèn)為，乏燃料和其他高放射性核廢料的最佳長期解決方案是地質(zhì)處置庫——簡單來說，就是一個(gè)非常深、管理非常嚴(yán)格的地下空間。芬蘭在這方面走得最遠(yuǎn)，其位于該國西南海岸的處置場預(yù)計(jì)今年投入運(yùn)行。

美國在 1980 年代指定了一個(gè)地質(zhì)處置庫選址，但政治爭議導(dǎo)致進(jìn)展停滯。所以目前在美國，乏燃料存放在運(yùn)行中和已關(guān)閉的核電站廠區(qū)內(nèi)。乏燃料從反應(yīng)堆中取出后，通常先進(jìn)入濕式儲(chǔ)存，也就是浸入水池中冷卻。之后可以轉(zhuǎn)入由水泥和鋼材制成的保護(hù)性容器中，稱為干式儲(chǔ)罐，這一階段叫干式儲(chǔ)存。

專家表示，面對(duì)新型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，行業(yè)不需要把這套流程推倒重來。“我們管理乏燃料的方式基本上不會(huì)有大的變化，”核創(chuàng)新聯(lián)盟（Nuclear Innovation Alliance）研究與戰(zhàn)略經(jīng)理埃里克·科思倫（Erik Cothron）說。核創(chuàng)新聯(lián)盟是一家專注于核工業(yè)的非營利智庫。“我不會(huì)因?yàn)閾?dān)心乏燃料管理的問題而睡不著覺?！?/p>

但新的設(shè)計(jì)和材料可能需要一些工程上的解決方案。而且反應(yīng)堆設(shè)計(jì)種類繁多，相應(yīng)地，需要處理的廢料類型也同樣多樣。

非常規(guī)廢料

有些新型核反應(yīng)堆和現(xiàn)有的運(yùn)行堆型很相似，它們的乏燃料管理方式也會(huì)大同小異。但也有一些采用了新型材料作為冷卻劑和燃料。

“非常規(guī)的材料會(huì)產(chǎn)生非常規(guī)的廢料，”伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校核工程、等離子體與輻射工程助理教授賽義德·巴豪丁·阿拉姆（Syed Bahauddin Alam）說。

一些先進(jìn)設(shè)計(jì)可能會(huì)增加需要按高放射性廢料處理的材料體積。以使用 TRISO（三結(jié)構(gòu)各向同性）燃料的反應(yīng)堆為例。TRISO 燃料的核心是一顆鈾芯，外面包裹了好幾層保護(hù)材料，再嵌入石墨殼中。包裹 TRISO 的石墨很可能會(huì)和乏燃料歸為一體處理，這會(huì)讓廢料體積比現(xiàn)有燃料大得多。

根據(jù)核創(chuàng)新聯(lián)盟 2024 年的一份報(bào)告，以目前的技術(shù)水平，把這些層分離開來既困難又昂貴，這意味著整個(gè)燃料組件會(huì)被一起歸類為高放射性廢料。

X-energy 公司正在設(shè)計(jì)使用TRISO 燃料的高溫氣冷反應(yīng)堆。該公司已經(jīng)向美國核管理委員會(huì)（NRC）提交了乏燃料處理方案。據(jù)該公司介紹，TRISO 燃料的形態(tài)實(shí)際上有助于廢料管理：其保護(hù)性外殼使 X-energy 不需要濕式儲(chǔ)存，從第一天起就可以直接進(jìn)入干式儲(chǔ)存。

液態(tài)燃料熔鹽堆是另一種新型設(shè)計(jì)，同樣可能增加廢料體積。在這種設(shè)計(jì)中，燃料和冷卻劑不像大多數(shù)反應(yīng)堆那樣分開存放，而是將燃料直接溶解在用作冷卻劑的熔鹽中。這意味著整缸熔鹽都需要按高放射性廢料來處理。

另一方面，還有一些反應(yīng)堆設(shè)計(jì)可能產(chǎn)生更少體積的乏燃料，但體積小并不等于問題小。以快堆為例，快堆的燃耗率更高，能消耗更多的可裂變材料，從燃料中提取更多能量。這意味著快堆的乏燃料中裂變產(chǎn)物濃度通常更高，釋放的熱量也更多。而熱量可能是設(shè)計(jì)廢料處置方案時(shí)最關(guān)鍵的制約因素。

乏燃料需要保持相對(duì)低溫，否則可能熔化并釋放有害副產(chǎn)物。處置庫中熱量過高還可能損壞周圍的巖層。"熱量才是真正決定你能往處置庫里放多少東西的關(guān)鍵因素，"前美國能源部和核管理委員會(huì)官員保羅·迪克曼（Paul Dickman）說。

英屬哥倫比亞大學(xué)公共政策與全球事務(wù)學(xué)院院長、核管理委員會(huì)前主席艾莉森·麥克法蘭（Allison MacFarlane）表示，有些乏燃料在處置之前可能需要經(jīng)過化學(xué)處理，這會(huì)增加復(fù)雜性和成本。例如，在使用金屬鈉冷卻的快堆中，冷卻劑可能滲入燃料并和燃料包殼融合在一起。把它們分離開來很棘手，而且鈉遇水會(huì)劇烈反應(yīng)，所以這些乏燃料需要專門處理。

TerraPower 的 Natrium 反應(yīng)堆是一座鈉冷快堆，今年 3 月初獲得了核管理委員會(huì)的建造許可。TerraPower 商務(wù)發(fā)展高級(jí)副總裁杰弗里·米勒（Jeffrey Miller）表示，該反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)能夠安全應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。公司的方案是在乏燃料放入濕式儲(chǔ)存池之前，先用氮?dú)獯祾卟牧媳砻妫コ龤埩舻拟c。

選址，選址，還是選址

即使不考慮材料問題，僅僅是改變反應(yīng)堆的大小和選址，也可能給廢料管理帶來新的麻煩。

一些新型反應(yīng)堆本質(zhì)上是現(xiàn)有大型反應(yīng)堆的縮小版。這些小型模塊化反應(yīng)堆和微型反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢料，處理方式可能和當(dāng)前的常規(guī)反應(yīng)堆差不多。但對(duì)于像美國這樣廢料就地存放的國家來說，讓大量分散的小型站點(diǎn)各自管理自己的廢料并不現(xiàn)實(shí)。

一些公司正在考慮把微型反應(yīng)堆連同其產(chǎn)生的廢料一起送回某個(gè)集中地點(diǎn)，這個(gè)地點(diǎn)有可能就是反應(yīng)堆的制造廠。麥克法蘭認(rèn)為，企業(yè)應(yīng)當(dāng)被要求在設(shè)計(jì)階段就認(rèn)真考慮廢料問題、制定管理方案，并為自己產(chǎn)生的廢料承擔(dān)責(zé)任。

她還指出，到目前為止，廢料方面的規(guī)劃都依賴于研究和模型推演，真實(shí)情況只有等反應(yīng)堆實(shí)際運(yùn)行之后才能明朗。用她的話說：“這些反應(yīng)堆還不存在，所以我們對(duì)它們將產(chǎn)生什么樣的廢料，其實(shí)還了解得很有限。”

https://www.technologyreview.com/2026/03/18/1134345/advanced-nuclear-reactors-waste/