[科普中国]-废燃料

废燃料又称乏燃料1，是经受过辐射照射、使用过的核燃料，通常是由核电站的核反应堆产生。核燃料在堆内经中子轰击发生核反应，经一定时间从堆内卸出。它含有大量未用完的可增殖材料238U或232Th，未烧完的和新生成的易裂变材料239Pu、235U或233U以及核燃料在辐照过程中产生的镎、镅、锔等超铀元素，另外还有裂变元素90Sr、137Cs、99Tc等。具有放射性，如果不加以妥善处理，会严重影响环境与接触它们的人的健康。2

定义核燃料在反应堆中使用时，由于易裂变核素的消耗、裂变产物及重核素的生成，引起燃料反应性的变化，最终使反应堆不再能维持临界，因此核燃料使用到一定程度必须更换。经反应堆辐射后卸下的燃料也称为废燃料或辐照过的燃料。由于乏核燃料中包含有大量的放射性元素，因此具有很强的放射性，因此必须妥善处理。废燃料的处理主要包括：储存、运输、后处理、深地质处置等过程。图P1为核燃料循环图，给出了核燃料从铀矿开采到废燃料最终处理所需经历的所有过程。2

裂变产物废燃料中占其质量3%的物质是铀-235和钚-239 的裂变产物及它们的衰变链的间接产物。尽管这些物质被认为是放射性废物，但是由于他们可能有多种工业上和材料上的用途，仍然可能需要将它们进一步分离出来。铀和钚的裂变产物包含了周期表中从锌到镧系元素的所有元素，这些元素按照质子数的分布会出现两个峰：第一个峰是第二次转换所产生的锆、钌、钼、锝、钌、铑、钯、银，而另一个峰是周期表中的碘、氙、铯、钡、镧、铈、钕。许多裂变产物都不具有放射性，或者是寿命很短的放射性同位素，但是仍然有相当数量的产物是中期到长期的放射性同位素，如锶-90、铯-137、锝-99和碘-129。一些国家对裂变废物中的稀有同位素的分离方法进行了研究，比如通过分离裂变产生的贵重金属如银和铂族金属钌，铑，钯，可以或多或少的补偿再处理的成本，然而目前这些方法都没有得到商业化。

裂变产物可以改变二氧化铀的热传导性能。镧系元素氧化物会降低燃料的热传导性。2

主要元素铀废核燃料中的96%的质量是剩余的未反应的铀，大多数是铀-238，一小部分是铀-235。通常情况下，铀-235的质量分数小于0.83%，铀-236的质量分数大约是0.4%。

铀-236是一种很棘手的长寿命放射性废物。

再处理铀包含有铀-236，这种同位素在自然界中不存在，它可以用作乏核燃料的标志特征。

如果将钍燃料用于反应堆中，产生的乏核燃料将会包含铀的同位素铀-233，其半衰期为159,200年。它将会对乏核燃料因衰变而产生的长期放射性产生影响。和混合氧化物核燃料相比，由于存在有未衰变完全的铀-233，一百万年之内的钍乏燃料的放射性将会比较高。

钚废核燃料中大约1%的质量是钚-239和钚-240，这些钚由铀-238俘获中子后经β衰变而产生，它们既是一种有用的副产品，也是危险的、难以处理的废料。为了防止核扩散，需要禁止那些尚未拥有核武器的国家使用这些钚制造核武器。如果核反应堆工作正常的话，这些钚是反应堆级，没有达到武器级。它所包含的钚-240较多，只有不到80%的钚为钚-239，使得这些钚并不适用于制作核武器。然而，用这些反应堆级的钚制作核武器也并非不可能[1]。如果接受辐射的时间比较短，那么就会生产出武器级的钚，钚-239的比例高于80%，最高可达93%。2

废燃料处理废燃料棒在经过再处理后可能产生钚，因此被认为是可以制造核武器的危险物质。

外交消息人士表示：“宁边核反应堆废燃料棒的处理问题尚未取得六方会谈与会国的一致同意，所以无核化工作组会议可能会讨论这一问题。”

朝鲜和其他与会国决定关闭5兆瓦核反应堆后，认为在2个月的初期阶段履行期间很难提取重达50吨的8000个废燃料棒，因此与会国决定暂时搁置处理问题，先进行关闭工作。

但消息人士表示：“随着进入核设施去功能化阶段，处理废燃料棒问题正在成为急需解决的问题。”“就废燃料棒处理方案，如同1994年的《朝美日内瓦框架协议》，提取废燃料棒后密封在容器内的方案最安全，但这一工作约需要4年的时间和3500万美元(约2.66亿人民币)的费用。”

“除此之外还有费用低并且时间短(2至3个月)的烘干保管方法，和放在水槽的方法。但是这些方法只要下决心，进行再处理后还能照样地提取核物质，因此不能算是安全的长远之策。”“此外，也可以在提取废燃料棒后送到英国等国家进行再处理。但这一方法的相关法律规定，再处理后产生的钚应归还给委托国家，也就是朝鲜。”该人士说。

最终处置由于长寿命核废料（包括废燃料）必须长期同人类和环境隔绝。广泛接受的看法认为，废燃料、核燃料再处理的高放射性废物以及钚废料需要在妥善设计的场所存放几万年到一百万年，以减少其放射性对环境的污染。同时，必须确保钚和高浓缩铀不被用于军事目的。一个基本的共识是，把废燃料存放于地下几百米的储存场所要比将其堆放在地表更安全。因此把这些废料存放在稳定地质构造中人工建造的地下储存所（repository）是一种可行的方案，这便是废燃料的最终处置方式，同时也叫深地质处置。

废燃料的最终处置是指在稳定的地质构造中开掘的放射性核废料存放场所，一般在地下300米以下。核废料形态、其包装、场地的密封和防渗以及地质条件等诸多因素决定了储放场所成功与否。对深地质处置的基本要求是长时间将核废料与环境隔绝开来，同时只需要极少或者不需要维护。深地质处置的时间尺度很大，通常从几万年到一百万年。在深地质处置中，盛放在容器中的核废料被以某种方式密封，存放在隧道里。最外面一层防护机制就是地质构造本身（比如岩层）。2

本词条内容贡献者为:

蒲富永 - 教授 - 西南大学