一座叫核废料的金矿

方陵生

核，有人趋之若鹜，有人避之不及，但它是祸是福，其实还是由人类决定的。哪怕是它的废料，只要我们愿意，也可点石成金。

核技术的出现，既代表着人类科学技术水平的飞跃，也揭开了地球资源日益枯竭的疮疤。人类最初的愿景，是想让“原子能造福千万人”。在欧洲大陆的高卢山区，耸立着近百座核电站，它们提供了法国所有电力的76%，让法国成了欧洲电力最便宜的国家。

而在核技术先驱的美国，仅是由核电厂铀裂变产生的大量钚、镅和其他放射性废物，就早已堆积如山，多达7.7万多吨。

如果我们能妙手回春，让这些看似已无用处的废料重现光彩，那么这些核废物极有可能成为下个世纪地球的主要能源动力。

另一种选择

这些放射性废料被称为“铀后元素”，它们的放射性可持续几千年。目前人类处理它们的方法，主要是存储在用混凝土封闭起来的水池中，或是钢制的容器内。

当然，民众对于这些放射性废料的莫名恐慌依然存在，有关它们的最后归宿，也引起了许多激烈的争论。2013年8月，美国哥伦比亚特区巡回上诉法院，就要求政府对尤卡山核废料垃圾场重新规划。

但也许我们还有一个更好的解决方案——将核废料转化为电能。目前，第四代核反应堆系统（Gen-IV）已经可以高效地进行这种转化，将铀后元素分解为一些放射性持续时间较短的物质，从而极大程度地解决了能源浪费和核废料污染的问题。也许不久之后，放射性核废料不再是一个令人头痛的问题，而将成为一座有待进一步开发的金矿。

高效的快堆

美国现有的核反应堆以及世界上大多数反应堆，采用的都是轻水技术，即将铀棒组浸在水中，以水作为冷却剂。铀原子在裂变过程中释放能量，在捕获移动的中子时分裂成两个新元素，释放出2-3个中子以及热量，令水沸腾变成水蒸气，水蒸气再推动涡轮机发电。但原子反应还在继续，并产生了钚和其他元素。

为使裂变反应持续进行，释放的中子需要与铀原子碰撞。但是中子的移动速度太快，很难捕获，因此要通过铀棒周围的水分子让中子运动变缓，达到持续裂变反应所需要的速度。

铀棒经过一段时间的裂变反应之后，就会被当作核废料从反应堆中清除，当被扔到核废料堆上时，它所消耗的铀原子只有5%而已。其实，燃料棒上的钚原子，以及剩余的铀原子，都还可以在轻水反应堆中继续进行裂变反应，只是效率较低罢了。而钚需要快速移动的中子来分裂其原子，因此，第四代核反应堆系统最大的改变就是使用了快速反应中子，也就是“快堆”技术（使用快速反应中子的反应堆就被称为快堆）。

“减少”半衰期

第四代核反应堆几乎可以完全提取废弃铀棒中的能量。美国核能研究所高级主管保罗·吉诺亚（Paul Guenoah）说：“Gen-IV反应堆不像它的前辈，只能提取铀燃料中5%～6%的能量，它能将这个数值提高至95%左右。”

此外，Gen-IV反应堆产生的元素比铀后元素衰减速度更快。“铀后元素的半衰期一般在几十万年，但如果我们将它们分解成碘和其他元素，那么其半衰期大约只有10～30年。”通用电气日立核能的技术主管埃里克·罗文（Roman Tam Eric）说道。

目前，通用日立公司已完成了被称为PRISM（动力反应堆创新小模块）的第四代快速反应堆的设计工作，并已准备提供给商用电力公司使用。在PRISM反应堆内，钚燃料棒将悬浮在大量液态钠之中，来自核反应的热量会令反应堆堆芯外套管中的水沸腾，进而发电。

更安全

事实上，快堆的构想并不新鲜，美国在1951年开始运行的第一个反应堆就是快堆，使用铀和铀裂变反应产生的钚作为燃料。当时铀是一种稀缺而珍贵的物质，因此从铀燃料中获取最多能量的反应堆显得尤为重要。但当地质学家发现地球上有足够的铀之后，铀开始变得相对廉价，并得到了广泛的应用。人们觉得不再需要更高效的反应堆，而且钠冷快堆的安全性也是一个令人担心的问题，钠是一种高度易燃物，与水接触会产生剧烈反应，这一点在我们的初中化学课程中就已介绍过。俄罗斯和印度的快堆，都曾因钠泄露而发生过火灾事故。

但通用日立表示，他们设计的PRISM可杜绝这种意外泄漏——反应堆将被安置在防腐蚀的不锈钢容器内，并加装了相应的检漏系统。罗文介绍说，与轻水反应堆相比，PRISM更具安全优势，因为燃料、冷却剂和包层都是金属材料，热阻比水更低。温度过高时，热量可以很容易地从反应堆容器内释放到空气中，而不会导致泵和阀门炸毁。此外，铅或熔盐也可作为快堆的冷却剂，只不过它们会对不锈钢产生一定的腐蚀作用。

未来需要你

虽然如今的快堆技术已经相对完善，但推广这项技术还存在一个很大的障碍——费用。目前的快堆技术相当昂贵，投入与产出不成正比，是非常“不实惠”的。美国加州大学伯克利分校（University of California， Berkeley）工程系的佩尔·彼得森（Pedersen Pell）教授说：“从经济效益考虑，核工业部门更愿意采用轻水反应堆发电，哪怕它会产生一大堆核废料。”

彼得森认为，快堆技术终究会有走向市场的一天，关键是要找到高效利用核废料的途径。然而到目前为止，美国采用的仍是实施了31年之久的核废料掩埋计划，而不是开发利用核废料中的能量。就在两年前，麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的穆杰德·卡兹米（Kazemi Mujd）和欧内斯特·莫尼兹（Moniz Ernest）两位核专家在合著的论文中指出，在未来几十年里，只要可以获得廉价的铀，传统反应堆仍将会是核电工业的首选技术。

从大家的担忧和实际考虑来看，我们不难发现，即便已经有了能够开发放射性核废料这座金矿的快堆技术，但至少在未来几十年内，核废料还将继续当成一种令人头痛的废物而被白白浪费。相信随着快堆技术的日臻成熟，会有更多人见识到它最大程度降低核废料生产量，实现放射性废物最小化的能力。发展和推广快堆技术，可以从根本上解决世界能源的可持续发展和绿色发展问题。

中国的快堆研究始于1965年，历经基础研究和应用基础研究阶段，1995年已开始进入设计实验验证阶段。

2010年7月21日，由中核集团中国原子能科学研究院自主研发的中国第一座快中子反应堆——中国实验快堆（CEFR）达到首次临界，并于2014年12月15日首次达到100%功率。