首先是高放射性。核废料发出的辐射对人体是致命的，任何运输和操作过程都是危险的。

二是复杂性。核废料的物质成分非常复杂，一些国家会回收核废料中的一些有用物质，如钚-239，但操作起来非常困难且成本高昂。

第三种是放热。由于元素衰变，核废料不断散发热能，这使得它难以管理。当核废料被放置在液体中时，释放的热能很容易导致液体沸腾，而当核废料被密封在固体中时，释放的热能很容易导致保护壳熔化——为什么福岛核电站需要使用大量的水来冷却， 是为了防止外壳熔化，造成更严重的泄漏！

如果把核燃料比作一个被封印的恶魔，那么核电站的裂变过程就相当于解开了恶魔的封印，出生后的恶魔逐渐露出嗜血的面孔，人类拼尽全力只希望能把它重新放回笼子里。自核能开始使用以来，核废料处理问题一直困扰着人们。

02

所有的核废料都去哪儿了？

- 潘多拉魔盒不能打开

1. 什么是处理核废料的安全方法？

上世纪冷战期间，前苏联出于成本等考虑，将核武器工厂的废弃物直接排放到附近的江湖中，造成严重的生态灾难

例如，据俄罗斯环境专家称，加拉苏斯湖曾经是著名的原子能城市车里雅宾斯克旁边的野生动物游乐场，在1957年被核废料污染，并因严重的核事故（人类历史上第三大核事故）而变成了死水，该事故在未来十万年内无法恢复。60年后的2017年，当地依然有检测到高放射性钌的消息，可见核废料的长期影响！

当地禁止进入高辐射地区的警告标志（图片来源：纽约时报）。

为了找到一种安全处理高放射性废物的方法，人类从上世纪50年代开始就一直在研究它。有人提议使用火箭将高放射性废物送入太空。然而，这种方法非常昂贵，并且在火箭发射中存在失败的风险，因此这种方法仅处于概念阶段。

随后，提出了冰盖处理的想法。就是将高放射性废物放置在南极或北极的冰盖上，高放射性废物本身产生的热量融化了冰，使废物桶最终沉入冰底，从而永久隔离。但是，由于冰盖距离较远，冰盖的地质演化存在不确定性，因此这种方法风险更大。

此外，一些科学家还提出了将核废料扔进深海海沟等方法，对于一些低水平的核废料，一些国家选择将其永久沉入4000米以下的深海底部，海底土壤厚实，易吸收放射性物质，生产方法当然与中高放射性核废料的方法相同， 这是罐头的形式。原则上，它至少要经过300年的测试，下图中的红点是国际指定的核废料海洋投放点。

核废料的指定海上投放点

根据《南德意志报》1991年的一份报告，苏联议员安德烈·索洛尔科夫发现，在1963年至1986年间，苏联在巴伦支海和喀拉海的许多地区倾倒了大量的放射性废物。据统计，在上世纪60年代的30年代左右，有13个国家将核废料排放到海中。

但这种方法并非万无一失：海水具有腐蚀性，会腐蚀容器并导致废物泄漏。因此，该方法仅适用于低放射性核废料。此外，如果未经许可将核废料投入海中的事情爆发，通常会引起严重的动荡，也会导致一再被禁止的核废料秘密排放到海洋中的现象。

经过多年的试验和研究，现在人们认识到，世界上最安全、最可行的方法是深层地质处置法，即将高放射性废物储存在地下深处的特殊仓库中，以便永久储存——大多数国家都是这种情况。

2、特殊仓库能保证永久安全吗？

由于危险性巨大，核废料仓库的储存要求也比普通废料更加“苛刻”。具体而言，必须满足以下要求：

最重要的条件是安全的，能够将核废料永久封闭在“容器”中，并保证放射性在数万年内不会泄漏。寻找能够承受数万年辐射的物体一直是科学家努力的方向。

还要寻找一个安全、永久的地方来储存核废料。该场地需要特别稳定的物理环境，长期防止水和空气侵蚀，以及承受地震、火山和爆炸的能力。

实验表明，花岗岩、盐和粘土层可以有效保证核废料容器数百年不被损坏。自2004年以来，芬兰一直在北极圈附近建造一个大型垃圾填埋场，用于处理核电站废物

它将于2020年底投入使用。

这个令人难以置信的大型核废料填埋场建在Olkiluoto岛上，距离芬兰首都赫尔辛基不远，毗邻正在运行的Olkiluoto核电站。垃圾填埋场的名称是Onkalo，意思是“隐蔽的地方”。

储存核废料的地下仓库在地下500米处的蓝灰色马岩层中挖掘出来。为了更接近核辐射，通往500米深的垃圾填埋场的隧道修建了5000多米，从地面来回蜿蜒。

整个项目投资高达35亿欧元，相当于261.15亿元人民币。垃圾填埋场的设计容量约为9,000吨核废料，然后将其完全密封，并且至少在100,000年内不会泄漏。

芬兰西部的花岗岩基岩已经存在了18亿年，这也保证了该设施的稳定性。地下温度和湿度低，这对核废料的安全储存很重要。

为了让后代更容易看到或理解设施的危险性，设计师计划在设施内标记大量警示卡通，设施外的警示雕塑将直观生动地展示核废料的危害，以防止未来人误入或打开设施。至于这些核废料能不能保存10万年，恐怕只有时间才能证明。

但即使Ancro成功运行，也不可能完全解决全世界的核废料问题！

根据国际原子能机构的数据，目前世界上有近30万吨核废料，即使安克罗被填满，也只有一小部分可以消化;此外，世界每天至少增加25吨核废料。按照这个计算，打造30个安克罗来对付库存，同时每年打造一个安克罗来解决增量，显然是不现实的！

这

一劳永逸地解决核废料问题的最好办法是将危险的核废料转化为有价值的能源，这不是幻想，而是现实。

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核废料，如何变废为宝？

有一种方法可以处理核废料——制造电池！

英国布里斯托尔大学卡博特研究所的科学家正在试验一种创新的发电方式，一石二鸟，不仅解决了核废料问题，还开发了新的电力来源。

该研究所的材料科学教授汤姆·斯科特（Tom Scott）指出，当钻石被放置在辐射区域时，它们会产生微弱的电流。然后，研究人员将金刚石电池封装在另一颗非放射性金刚石中，以吸收有害辐射并释放更多电能，从而以接近100%的效率发电。这种类型的发电不会排放任何废气，也不需要维护，非常适合无法充电或更换传统电池的应用。

总部位于加州的初创公司NDB甚至推出了一种纳米金刚石电池，该电池使用核废料，寿命长达28,000年。该电池可用于为各种尺寸的设备和机器供电，从飞机和火箭到电动汽车和智能手机。

研究人员认为，人类在NDB电池的帮助下实现了从零开始的突破，NDB电池是突破性的专有技术，可以大规模用于为使用硅的设备供电数千年，并且仅使用自然空气。目前，这种电池的原型测试已经完成。

当然，电池只是杯水车薪，最好的办法就是让核废料再次闪耀！

传统核电站（从第一代到第三代），主要使用的天然铀矿石含量仅为2%~3%的铀-235，而铀-238的含量约为97%~98%，由于反应能力不足而被废弃，无法利用，这不仅增加了核废料的数量，而且造成了极大的资源浪费。据估计，按照目前核电站的铀消耗速度，世界铀储量只能维持200至300年。

但第四代可能会永远改变这一点。它是一系列研究中的理论反应堆设计，其特点是核能的可持续利用、经济性、安全性和可靠性以及不扩散和实物保护。与目前的核电站技术相比，第四代反应堆具有以下优点：

核废料仍然具有放射性，但其半衰期已从数百万年缩短到数百年——不再有上面提到的“废物仓库”;

通过新设计，相同数量的核燃料可以产生 100 到 300 倍的能量——凭空产生数百倍的能量;

现有的核废料可用于发电——将废物转化为财富;

大幅提高操作安全性 - 希望如此。

但截至目前，第四代仍处于科学实验阶段，距离大规模实际生产应用还有很长的路要走。截至 2018 年 7 月，全球已初步确定了 GIF 的六种候选反应堆类型。以中子能量为特征：3种热中子反应堆和3种快中子反应堆。其中，热中子家族的超高温气冷堆（VHTR）也是生产氢气、降低燃料电池成本的一种潜在且有效的方式。另一方面，快堆可以燃烧掉半衰期较长的锕系元素，减少核废料并“增加燃料”。

下图显示了六种候选反应堆类型中每种类型的特征：

六种第四代候选反应堆类型中每一种的特征（图片来源：维基百科）。

2021年12月20日，全球首座球床模块化高温气冷堆核电站——华能石道湾核电高温气冷堆示范项目成功通电。这是全球首个高温气冷堆核电站示范工程、世界首座第四代核电站，将人类核工业水平推向前所未有的新阶段。

中国是世界上第一个真正使用第四代核电技术建造电站的国家。长期的技术积累和历史性突破，是我国加快核电站部署的基础。

日本福岛核事故发生后，中国暂停了所有内陆核电站的建设，核电工业的发展陷入低谷。目前，我国在运行的核电机组有60多台位于沿海地区，但用不了多久，适合核电站的沿海地区就会饱和。只有走入内陆，中国才能建设更多的核电站，才能改变火电占其发电量70.5%的尴尬局面。助力中国2030年前碳达峰，2060年前实现碳中和。

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