在真空中降低核废料的辐射 - 嬗变可以替代最终的存储设施

在真空中降低核废料的辐射 - 嬗变可以替代最终的存储设施

核电站的放射性废料必须储存数千年才能停止辐射。然而,嬗变可以减少辐射,至少从原则上可以明显降低伤害。真空泵在此过程中发挥着重要作用。
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嬗变(而非储存)是将高放射性废料转化为非放射性物质,或至少将半衰期缩短至可管理时长的一种前景光明的方法。真空是此过程的必备要求之一。

1500 万年的半衰期

约 1% 的废弃燃料棒成为"问题材料",包括放射性钚和其他高放射性同位素,其半衰期长达 1500 万年。今天,再处理工厂回收钚和剩余裂变铀来制造新燃料棒。以前,残余高危材料成为近乎于必须永久存储的材料。如今,还可以将这类材料进行化学分离,让它们发生物理变化(嬗变)。 

嬗变发生在加速器驱动型系统 (ADS) 中。ADS 的核心元件是一个长达百米的粒子加速器,质子在加速器中以近光速的速度加速。在此过程中,粒子之间不会发生相互碰撞。因此,系统中的特殊真空泵会产生  10-6 至 10-10 百帕的超高真空。

预期衰变

质子撞击蕴含大量动能和原子核的重金属混合物。这释放出的中子现在也以高能撞击原子废料的粒子。它们之间的碰撞会在放射性同位素的原子核中引发众多衰变过程。在很大程度上,它们转化为稳定的非放射性同位素或具有超短半衰期的放射性粒子。关键同位素的数量可以连续缩减几轮。

与核裂变相比,这种嬗变不会失控。如果关闭质子束,链式反应就会停止。原则上,此过程仍然可以产生比其所需更多的能量。这在实验室中应用已经有一段时间了。自 20 世纪 90 年代以来,研究人员一直从工业规模上研究 ADS。第一个试点系统预计将于 2020 年在日本投入工作。第二个系统预计将于 2023 年在比利时摩尔投入运行。核废料回收发电厂每年可以处理来自十座核电站的高放射性废料。原子废料的最终储存问题最终将实现可控管理。 


废弃燃料棒中含有 95% 的铀和 1% 的钚。它们首先经过机械粉碎,然后在硝酸中溶解。通过化学反应将铀、钚和其他材料分离出来。约 10% 的铀可再次浓缩用于制造新燃料棒。钚也被加工成核燃料。

不过,经过此回收过程后剩下的约 90% 的材料是由砷和铽等各种元素的放射性同位素组成的废物。可用于医学或科学目的的少量物质仍可从这些放射性同位素中提取。剩余的废物随后被分成低、中、高放射性物质。约 7% 为高放射性废物,约 1% 为在某些情况下需要储存几百万年(如果不用于嬗变)的"问题废物"。经过再处理,必须储存数千年的核废料的体积大大缩减。


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