難于掌控的超級核燃料

呂　靜

核電站技術的進一步發展將使核燃料的利用率得到提高，但隨之也帶來了更高的風險

聽上去好像是很簡單，鈾在核反應堆里燃燒得越強、越熱、越長時間——它得到了最充分的分裂——則所需要的燃料也就越少，而且到燃料耗盡時所產生的廢料也越少。

幾十年來，核技術人員一直在朝著這個方向努力，但是新興的核安全與核廢料處置研究卻對此提出了新的問題。最新的研究發現，高效核燃料在應急時刻可能是不穩定的，這樣將引起放射性物質泄漏和進入環境的巨大風險。更為嚴重的是，與人們預料的情況相反，由這種高效核燃料所產生的核廢料所帶來的輻射更大，這就意味著，它們更難與現有的核廢料一起埋藏到地下的核廢料庫中。

新技術下的核燃料

目前，全球核電總裝機容量已經超過了3.5億千瓦。新一代的核電站將帶來更大的改變。在未來的幾年中，美國將新建30個反應堆，英國將建10個反應堆。中國現在的核電裝機容量僅為910萬千瓦，預計到2020年，將達到4000萬千瓦。

要提高反應堆效率，技術人員就需改進用作燃料的濃縮鈾，提高其燃耗率。燃耗率是一個從已知數量的燃料中獲得電量的單位，用每噸鈾所產生的吉瓦?天數來表示(GWd/tU)。燃耗越高，燃料棒在反應堆里維持的時間越長，這一點已經在美國和其他地區普遍應用的加壓水和沸騰水反應堆里獲得了成功驗證。從1970年開始，世界各地反應堆的平均燃耗幾乎增加了一倍，達到了40 GWd/tU。

新型的反應堆多使用兩種設計：一種是美國西屋公司開發的AP1000“非能動型壓水堆核電技術”，另一種是法國阿海琺公司的歐洲壓水堆技術，預計新技術的燃耗率將達到60GWd/tU或更高。在這種燃耗下，鈾燃料棒將比今日燃耗最好的燃料多燒一年之久。

燃料棒的考驗

不過，這樣的進展卻可能帶來一定的代價。今年3月，在美國華盛頓特區和馬里蘭洛克維樂，在美國核管理委員會(NRC)組織的一個會議上，美國伊利諾斯阿貢國家實驗室的邁克爾?比龍所領導的一個小組發表了對高燃耗燃料行為的研究發現，指出燃耗超過45GWd/tU的燃料會引起從前所無法預料的安全問題，并且將會打破現有的NRC安全條例，除非人們做一些改進，將這些核燃料成分打包包裝。

在核電站的運作中，假如冷卻水突然損失，就會發生危險。比如1979年美國賓夕法尼亞三里島的事故，曾導致了一個反應堆核芯的部分熔化。要在這樣一個事故中控制放射能的泄漏，最關鍵的是核燃料棒與其外圍的鋯合金包殼在應急制冷系統下插入冷水時要保持完整。如果外殼變得很脆，核燃料棒有可能會迸裂，進而會將钚等其他放射性材料泄漏到反應堆外圍的廠房。

就算在正常的操作情況下，冷卻水通過和鋯發生反應形成氧化鋯，也會侵蝕反應堆的外殼表面。NRC的條例規定，侵蝕層必須不能超過外殼厚度的17%。

比龍和同事指出，在使用高燃耗核燃料的地方，這一條例不夠嚴厲。當他們采用不同類型的外殼來包裹燃耗達到45GWd/tU的核燃料時，通過一系列的測試來設計模擬冷卻劑喪失事故，發現這些外殼都會在氧化度到達17%的限度之前就開始變脆。

研究人員將這種脆性的增加歸結于正常反應堆運作中的高燃耗核燃料所釋放的氫量增加。氫氣是逐漸被外殼吸收的，它在核燃料的外殼上增加了氧的溶解性。在650℃到1200℃之間，可以觸發鋯的“分離氧化”，使之在緊急情況下很快變脆。燃料操作系統在60GWd/tU時還將比現有的高燃耗燃料多產生大約40%的氫。

來自華盛頓、密切關注這一問題的科學家埃德溫?萊曼警告世人說，這一問題需要在新的反應堆運行前得到解決。他還指出，就算是應對那些已經被認為是非常了解的材料和過程，也可能遇到讓人不快的意外。

代表著美國電力生產商的電力研究所堅持認為核電并沒有迫切的安全問題，而且現代的反應堆都是在保證從不會發生災難性冷卻劑損失的前提下運行的。賓夕法尼亞州立大學的反應堆材料專家亞瑟?摩塔認為，采用新型合金，有可能解決比龍提出的問題。他說：“我們應該可以安全地增加燃耗。”

盡管有這些說辭，NRC還是委托阿貢國家實驗室作進一步調查，他們本著加強增進核管會條例的觀點，業已開始了一個長達3年的磋商研究。核管會的拉爾夫?梅爾說：“我們正在積極準備修訂核管會說明燃耗效應的安全標準。一些臨時標準已經啟用。”

更難處理的核廢料

另一方面，如何處置高燃耗核燃料所產生的廢料，也是讓人頭疼的問題。長時間在反應堆中使用輻射鈾，使得反應堆的放射性更強，當從反應堆移走核廢料并將其掩埋儲存時，這種得到增強的放射性物質的衰減會產生相應更多的熱量。按照2006年負責處理英國核廢料的尼拉克斯公司估計，在核廢料所需要的整個儲存期間，一個燃耗在55GWd/tU的核燃料在一個加壓水反應堆中的輻射能可以比33GWd/tU這樣的低燃耗核燃料多50%。

要保證這種內部產生的熱量維持在安全限度內，就需要將這種用完的高燃耗燃料成分分開來儲存。如果做不到這一點，就將可能引起核廢料內部熱量的增加，從而導致地下儲存點的容器破裂，或波及到儲存點附近的巖石，進而增加泄漏的風險。雖然高燃耗燃料的效率增加了，但這卻意味著這類核廢料需要更大的儲存空間。

“核咨詢工作組”是激進分子和反對核電的一個組織，該組織成員休?理查德說，在英國，這可能意味著政府將需要尋找兩個地下的儲藏庫，而不是現在所設想的一個。今年4月中旬，理查德發表的一個研究報告中，有英國核能設施除役局對10個已經計劃的AP1000反應堆高燃耗核燃料廢料所產生放射能所做的估計，預計在2080年將出現10個新型反應堆，合起來所產生的核廢料放射能峰值，將是英國現在所有核反應堆廢料放射能峰值(預計在2020年出現)的兩倍。

馬里恩?希爾是英國政府輻射廢棄物管理委員會的委員。他說，現在說這會不會對核設施除役局提出一個大問題還為時過早。但另一位也曾是英國政府輻射廢棄物管理委員會委員的核顧問皮特?威爾金森卻已經預測到一些問題。他說：“這勢必將加大核廢料庫的體積和成本，并顯示出更多技術上的不確定性和倫理上的無法估量性。”