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基本性質(zhì)

放射性廢料都含有放射性同位素——一類因原子核的不穩(wěn)定而容易發(fā)生衰變的元素，它們以不同形式、不同強(qiáng)弱進(jìn)行持續(xù)時(shí)間長短不同的衰變。衰變中產(chǎn)生的電離輻射不論對(duì)人類生命健康還是對(duì)自然環(huán)境都會(huì)造成一定傷害。

物理性質(zhì)

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?yōu)槠渌镔|(zhì)所需要的時(shí)間），最終放射性廢料會(huì)衰變作完全不具放射性的物質(zhì)。某些乏燃料中的放射性元素（如钚-239）在自然放置上千年后對(duì)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(gè)世紀(jì)并與自然環(huán)境隔離更長時(shí)間。 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(duì)于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于衰變急劇，其實(shí)更加活躍、危險(xiǎn)。右側(cè)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的裂變產(chǎn)物的裂變產(chǎn)物產(chǎn)量。

一種同位素衰變得越快，它的放射性越強(qiáng)。 某種純的放射性物質(zhì)的危險(xiǎn)程度是由它衰變產(chǎn)生的輻射種類與能量等重要因素界定的，而這種物質(zhì)的活潑性、擴(kuò)散入環(huán)境及被生物吸收的難易程度則由它的化學(xué)性質(zhì)決定。對(duì)于許多不能很快衰變至較穩(wěn)定的狀態(tài)，而是繼續(xù)產(chǎn)生放射性衰變產(chǎn)物或引起衰變鏈的放射性同位素，它們和自身的衰變產(chǎn)物的性質(zhì)和影響更加復(fù)雜。

藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)

暴露在高強(qiáng)度的放射性廢料的輻射中可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p傷，甚至死亡。對(duì)成熟的動(dòng)物進(jìn)行輻照或其他能導(dǎo)致變異的處理（如化學(xué)療法中的細(xì)胞毒類腫瘤藥物治療，該藥物本身也是致癌物），可能導(dǎo)致該生物體患上癌癥。經(jīng)計(jì)算，5希沃特的輻射劑量對(duì)于人類已是致命。另外，一劑0.1希沃特的輻射令人死亡的概率是8‰，該概率隨單劑劑量每增加0.1希沃特增加一倍。 電離輻射可能導(dǎo)致染色體片段的缺失。 如果一個(gè)發(fā)育中的有機(jī)體（如未出生的嬰兒）接受了輻射，可能會(huì)導(dǎo)致先天性畸形等先天性疾病，不過這些缺陷卻不會(huì)出現(xiàn)在同樣接受了輻照形成的配子或由配子融合形成的細(xì)胞中。由于人們對(duì)輻射誘變的機(jī)理尚不明確、不能以人類意志控制人工誘變的結(jié)果，所以由輻射導(dǎo)致的突變對(duì)人類的影響仍是不定向的（既不能預(yù)期它對(duì)人類的影響是利是弊）。

暴露在放射性同位素的輻射中的危險(xiǎn)性取決于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(dòng)力學(xué)性質(zhì)（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、并以β、γ兩種形式衰變的放射性同位素，但它卻因?yàn)闀?huì)在甲狀腺中聚集而對(duì)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（能溶解在水中的物質(zhì)更易隨尿液排出）。同樣地，主要以α衰變的錒系元素（如鐳、鈾等），由于它們一般具有較長的生理學(xué)半衰期與較高的線性能量轉(zhuǎn)移值，所以也被認(rèn)為對(duì)生命體有較大危害。因?yàn)樵谏鲜鰩讉€(gè)方面的不同，放射性同位素能造成的生理學(xué)損傷較難簡單判斷。

來源

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(huán)及核武器的再加工。其他來源包括醫(yī)用放射性物質(zhì)、工業(yè)放射性物質(zhì)及在加工、使用一些化石燃料（如煤、石油和天然氣）或其他礦物的過程中濃縮的天然放射性物質(zhì)（naturally occurring radioactive materials，NORM）。

首端

核燃料循環(huán)首端產(chǎn)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(zhì)中常常含有鐳以及鐳的衰變產(chǎn)物。

在鈾礦中采集的二氧化鈾（UO 2 ）的放射性其實(shí)并不十分強(qiáng)——大約只是建筑中使用的花崗巖的放射性強(qiáng)度的幾千倍。人們將這些鈾的氧化物精煉得到八氧化三鈾（U 3 O 8 ），再轉(zhuǎn)化成六氟化鈾（UF 6 ）氣體。經(jīng)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）。最后，經(jīng)過一系列的反應(yīng)，六氟化鈾還原成質(zhì)地堅(jiān)硬的陶狀氧化物作為核反應(yīng)堆中的核燃料。

在濃縮鈾的過程中，主要的副產(chǎn)物是耗乏鈾（depleted uranium，DU），其主要含有鈾-238同位素，而鈾-235的含量只占3‰。多余的六氟化鈾及八氧化三鈾都會(huì)被封存起來。部分因其具有很大的密度而在一些特殊的領(lǐng)域有較高的應(yīng)用價(jià)值如反坦克武器的炮彈。 它也常與回收后得到的钚一起用于制造混合氧化物燃料（mixed oxide fuel，MOX），并以其“稀釋”儲(chǔ)存在核武器中的需要由武器級(jí)核燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)級(jí)核燃料的高濃縮鈾（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該武器裝配前的十分復(fù)雜、昂貴的濃縮過程。

末端

核燃料循環(huán)的末端的乏燃料棒主要含有以β衰變或γ衰變的裂變產(chǎn)物、α衰變的錒系元素（如鈾-234、镎-237、钚-238和镅-241），有時(shí)還含有輻射中子的放射性同位素（如锎）。這些同位素都是在核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的。

明確從已被利用過的核燃料的后處理中重新獲得核燃料的過程是十分重要的?，F(xiàn)在人們所使用的核燃料含有高放射性裂變產(chǎn)物，其中大部分是良好的中子吸收劑，專業(yè)上也被稱為“中子毒物”。由于它們不斷吸收中子，最終達(dá)到“飽和”導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)停止——甚至連從堆芯中取走用于抑制反應(yīng)的控制棒也不能使反應(yīng)繼續(xù)的程度。這樣的核燃料被視為“已經(jīng)用盡”，雖然其中仍含有大量的鈾-235和钚，但還是需要用新的核燃料來取代它們。在美國、德國和中國，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、日本和印度等國，它們經(jīng)過后處理除去其中的穩(wěn)定裂變產(chǎn)物后得到再利用。俄羅斯等國對(duì)利用過的核燃料的處理過程中包含對(duì)高放射性材料的處理，從中獲得的裂變產(chǎn)物是濃縮的高級(jí)廢料形式存在的。這些國家都以 钚單循環(huán) （ 英語 ： single plutonium cycle ） 的形式進(jìn)行核燃料后處理，印度是世界上已知的唯一一個(gè)致力于 钚復(fù)合回收 （ 英語 ： multiple plutonium recycle ） 計(jì)劃的國家 。钚回收有兩個(gè)顯著的好處：經(jīng)過后處理的核燃料變得不能再被利用于核武器的制造，但作為工業(yè)核燃料，它的利用效率可以很高。印度的钚反應(yīng)堆以實(shí)現(xiàn)接近典型商業(yè)核反應(yīng)堆的4倍的燃燒效率。

與化石燃料的比較

有主張認(rèn)為，核能在任一方面的污染都遠(yuǎn)不及化石燃料的燃燒所造成的嚴(yán)重。 2004年，英國廣播公司（BBC）的一篇報(bào)道中提到：“世界衛(wèi)生組織（WHO）認(rèn)為每年全世界約有3百萬人死于由車輛和工廠排放的廢氣和可吸入顆粒造成的室外空氣污染；此外，每年還有6萬人死于固體燃料燃燒引起的室內(nèi)空氣污染?！?在美國，化石燃料產(chǎn)生的廢物與每年大約兩萬人的死亡有關(guān)。 一個(gè)火力發(fā)電站與相同功率的核電站相比，火力發(fā)電站所釋放的輻射強(qiáng)度是核電站的10倍。 根據(jù)估計(jì)，在1982年美國的燃煤活動(dòng)所釋放出的輻射量甚至比三哩島核事故的輻射量高155倍。

自然的例子

有一個(gè)例子證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的奧克洛，一個(gè)天然，存有大量放射性鈾的鈾礦在地下開始了其衰變過程。這個(gè)天然核裂變反應(yīng)堆持續(xù)運(yùn)作了數(shù)百萬年，那些鈾衰變成钚和其他與現(xiàn)今的高放射性廢物一樣的物質(zhì)。盡管當(dāng)時(shí)在該地區(qū)存有大量的地下水，但這些物質(zhì)依然不會(huì)滲入水中污染環(huán)境，并全部衰變成其他非放射性元素。

世界核能協(xié)會(huì)提供了一個(gè)比較不同形式的能源生產(chǎn)造成的死亡數(shù)字。在他們的統(tǒng)計(jì)數(shù)字中，死亡人數(shù)是以每千瓦時(shí)/年所計(jì)算出來的。根據(jù)在1970 至 1992年間的數(shù)據(jù)顯示，有885人的死是和水力發(fā)電有關(guān) ; 有342人的死是和燃煤發(fā)電有關(guān) ; 有85人的死是和天然氣發(fā)電有關(guān)而有8人的死則與核能發(fā)電有關(guān)。

核燃料的成分以及長遠(yuǎn)的放射性活動(dòng)

  比較三種不同的核燃料類型里所含有的鈾-233的放射性活動(dòng)的曲線圖表

  比較三種不同的核燃料類型的總放射性活動(dòng)的曲線圖表

在計(jì)劃使用核燃料的同時(shí)，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(yán)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占有一個(gè)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(huì)有所不同。

使用釷的核燃料

而其中一個(gè)例子是使用釷的核燃料，釷-232會(huì)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里通常都會(huì)存有鈾-233，而鈾-233的半衰期則有15.9萬年。而其放射性衰變將會(huì)長期占有著核燃料的周期（由采礦至衰變完全結(jié)束）達(dá)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里所含有的鈾-233的放射性活動(dòng)的比較。

核燃料的活性

而那些核燃料通常被分為三種，它們分別使用反應(yīng)堆級(jí)钚，與武器級(jí)钚和混合氧化物燃料。而不同的核燃料，具有不同的活性曲線。關(guān)于反應(yīng)堆級(jí)钚和武器級(jí)钚在一百萬年內(nèi)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(dòng)有著密切的關(guān)系。而正因?yàn)榛旌涎趸锶剂喜⒉淮嬖阝?233，所以相對(duì)地它的活性便會(huì)較其他的低。相反，反應(yīng)堆級(jí)钚和武器級(jí)钚有較高的活性，因?yàn)樗鼈兒谢旌涎趸锶剂蠜]有的鈾-233。

醫(yī)療

醫(yī)用放射性物質(zhì)往往包含能放射β粒子及γ射線的物質(zhì)。它們可以被分為兩大部分。在核醫(yī)學(xué)的診斷中常用到的一些短壽命γ射線放射物如锝-99m、鉈-201等，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(shí)間已令其衰變至穩(wěn)定狀態(tài)。其他醫(yī)療中常用到的放射性同位素（括號(hào)內(nèi)為各自的半衰期）包括：

釔-90，用于治療淋巴瘤（2.7天）

碘-131，用于對(duì)甲狀腺進(jìn)行功能測試、治療甲狀腺癌（8.0天）

鍶-89，用于治療骨癌、也用于靜脈注射（52天）

銥-192，用于近距離治療（74天）

鈷-60，用于近距離放療、體外放射治療（5.3年）

銫-137，用于近距離放療、體外放療（30年）

工業(yè)

來源于工業(yè)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(zhì)。 γ 射線放射物主要用于造影，而中子放射物的用途則很廣泛：例如石油測井。

天然放射性物質(zhì)（NORM）

“天然”具有放射性的物質(zhì)稱作“NORM”。這類廢料主要為從鈾衰變鏈或釷衰變鏈中產(chǎn)生的阿爾法粒子放射物。人體放射性的來源則為鉀-40（40 K）。根據(jù)大部分巖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

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(zhì)在地殼中的分布量更低。與純煤相比，一些碳化程度低的煤（“臟”煤），如泥炭和褐煤擁有更高含量的放射性物質(zhì)（雜質(zhì)），而這些雜質(zhì)會(huì)在煤燃燒時(shí)以懸浮物的型態(tài)釋放至大氣。 . 正因?yàn)?臟"煤的灰分（不能燃燒的部分）含量高, 以致它們在燃燒時(shí)會(huì)釋放出活躍的有害物質(zhì)。而“臟”煤灰的放射性則與焦煤相等但比磷灰石低，但更令人關(guān)注的是煤燼所造成空氣污染。

石油和天然氣的放射性

石油和天然氣處理工廠所排放出的廢料普遍都含有鐳及其同位素，從油井中抽取出來的硫酸鹽化合物里富含鐳，而井里的水，石油和天然氣則富含氡。當(dāng)這些氡衰變后便形成其他固態(tài)放射性同位素并在鉆油管道內(nèi)形成一層覆蓋物。在石油處理廠里的丙烷生產(chǎn)區(qū)最容易受放射性污染，因?yàn)殡焙捅樘幱谕粋€(gè)分餾層。

處理放射性廢料

  一個(gè)盛載中至高級(jí)放射性廢物的高科技容器。

低放射性廢料要監(jiān)測 300 年才可以確定其安全穩(wěn)定性，可是有些核廢料是屬于高放射性廢料，就算監(jiān)測 300 年也沒用，因?yàn)槎拘允且稽c(diǎn)也不會(huì)衰退。以锝- 99（半衰期21.1萬年）和碘- 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）里面的镎- 237（半衰期214.4萬年）和钚-239（半衰期2.41萬年）。

要妥善地處理這些核廢料需要到一定程度的技術(shù)和嚴(yán)密的監(jiān)控，以隔除這些放射性廢料對(duì)生態(tài)和人類的威脅。其次就是訂制一個(gè)長期，穩(wěn)定的管理方案包括貯存，處置或者把核廢料轉(zhuǎn)化成對(duì)環(huán)境無害的方式棄置 ，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，并在長遠(yuǎn)的廢物管理方案上取得了一部分的進(jìn)展。

初步的放射性廢料處理方法

核廢料玻璃化

要有效地長期儲(chǔ)存放射性廢物便要把它們轉(zhuǎn)換成一種穩(wěn)定, 長期不會(huì)降解（因?yàn)榻到鈺r(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的崩解熱并使廢液沸騰，產(chǎn)生放射性氣體，增加儲(chǔ)存桶的壓力并發(fā)生泄漏。）和發(fā)生反應(yīng)的方式儲(chǔ)存。而將之玻璃化就能做到這一點(diǎn)。 目前塞拉菲爾德已經(jīng)開始采用這一種方式來儲(chǔ)存放射性廢物，首先把廢料（液）與糖類物質(zhì)混合后煅燒，而焙燒的目的就是要去除硝酸鹽和蒸發(fā)掉多余的水份，以增加其穩(wěn)定性。

煅燒后所產(chǎn)生的成品（成品A）會(huì)被引入到一個(gè)充滿玻璃碎片的熔爐 ，之后便把尚未冷卻的液態(tài)混合物分批倒入圓形的不銹鋼容器內(nèi)。當(dāng)它們冷卻凝固時(shí)這些玻璃碎片把成品A結(jié)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 不銹鋼容器填滿后便會(huì)被密封焊接，經(jīng)過清潔和外部污染檢查后，便會(huì)儲(chǔ)存在地下倉庫內(nèi)開始持續(xù)數(shù)萬年的衰變過程

在不銹鋼容器內(nèi)的放射性玻璃通常是表面有黑色光澤的物質(zhì)。在英國，這些放射性玻璃都是通過遠(yuǎn)端控制進(jìn)行試樣制備的。放射性玻璃中的糖是用來控制釕的化學(xué)作用和制止它形成含揮發(fā)和爆炸性和具有放射性（因含釕- 106的RuO 4。在西方國家，那些碎玻璃原料通常是硼硅酸鹽玻璃（類似耐熱玻璃），而前蘇聯(lián)通常使用磷酸鹽玻璃。那些在玻璃里的核廢料的量必須加以限制因?yàn)橛行┙饘倮玮Z、碲和鉑系的金屬不能與玻璃結(jié)晶化。 德國已經(jīng)擁有一間正在運(yùn)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。

海拋核廢料

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

延伸閱讀

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