核电站技术的进一步发展将使核燃料的利用率得到提高，但随之也带来了更高的风险

文/吕静

听上去好像是很简单，铀在核反应堆里燃烧得越强、越热、越长时间——它得到了最充分的分裂——则所需要的燃料也就越少，而且到燃料耗尽时所产生的废料也越少。

几十年来，核技术人员一直在朝着这个方向努力，但是新兴的核安全与核废料处置研究却对此提出了新的问题。最新的研究发现，高效核燃料在应急时刻可能是不稳定的，这样将引起放射性物质泄漏和进入环境的巨大风险。更为严重的是，与人们预料的情况相反，由这种高效核燃料所产生的核废料所带来的辐射更大，这就意味着，它们更难与现有的核废料一起埋藏到地下的核废料库中。

新技术下的核燃料

目前，全球核电总装机容量已经超过了3.5亿千瓦。新一代的核电站将带来更大的改变。在未来的几年中，美国将新建30个反应堆，英国将建10个反应堆。中国现在的核电装机容量仅为910万千瓦，预计到2020年，将达到4000万千瓦。

要提高反应堆效率，技术人员就需改进用作燃料的浓缩铀，提高其燃耗率。燃耗率是一个从已知数量的燃料中获得电量的单位，用每吨铀所产生的吉瓦?天数来表示(GWd/tU)。燃耗越高，燃料棒在反应堆里维持的时间越长，这一点已经在美国和其他地区普遍应用的加压水和沸腾水反应堆里获得了成功验证。从1970年开始，世界各地反应堆的平均燃耗几乎增加了一倍，达到了40 GWd/tU。

新型的反应堆多使用两种设计:一种是美国西屋公司开发的AP1000“非能动型压水堆核电技术”，另一种是法国阿海珐公司的欧洲压水堆技术，预计新技术的燃耗率将达到60GWd/tU或更高。在这种燃耗下，铀燃料棒将比今日燃耗最好的燃料多烧一年之久。

燃料棒的考验

不过，这样的进展却可能带来一定的代价。今年3月，在美国华盛顿特区和马里兰洛克维乐，在美国核管理委员会(NRC)组织的一个会议上，美国伊利诺斯阿贡国家实验室的迈克尔?比龙所领导的一个小组发表了对高燃耗燃料行为的研究发现，指出燃耗超过45GWd/tU的燃料会引起从前所无法预料的安全问题，并且将会打破现有的NRC安全条例，除非人们做一些改进，将这些核燃料成分打包包装。

在核电站的运作中，假如冷却水突然损失，就会发生危险。比如1979年美国宾夕法尼亚三里岛的事故，曾导致了一个反应堆核芯的部分熔化。要在这样一个事故中控制放射能的泄漏，最关键的是核燃料棒与其外围的锆合金包壳在应急制冷系统下插入冷水时要保持完整。如果外壳变得很脆，核燃料棒有可能会迸裂，进而会将钚等其他放射性材料泄漏到反应堆外围的厂房。

就算在正常的操作情况下，冷却水通过和锆发生反应形成氧化锆，也会侵蚀反应堆的外壳表面。NRC的条例规定，侵蚀层必须不能超过外壳厚度的17%。

比龙和同事指出，在使用高燃耗核燃料的地方，这一条例不够严厉。当他们采用不同类型的外壳来包裹燃耗达到45GWd/tU的核燃料时，通过一系列的测试来设计模拟冷却剂丧失事故，发现这些外壳都会在氧化度到达17%的限度之前就开始变脆。

研究人员将这种脆性的增加归结于正常反应堆运作中的高燃耗核燃料所释放的氢量增加。氢气是逐渐被外壳吸收的，它在核燃料的外壳上增加了氧的溶解性。在650℃到1200℃之间，可以触发锆的“分离氧化”，使之在紧急情况下很快变脆。燃料操作系统在60GWd/tU时还将比现有的高燃耗燃料多产生大约40%的氢。

来自华盛顿、密切关注这一问题的科学家埃德温?莱曼警告世人说，这一问题需要在新的反应堆运行前得到解决。他还指出，就算是应对那些已经被认为是非常了解的材料和过程，也可能遇到让人不快的意外。

代表着美国电力生产商的电力研究所坚持认为核电并没有迫切的安全问题，而且现代的反应堆都是在保证从不会发生灾难性冷却剂损失的前提下运行的。宾夕法尼亚州立大学的反应堆材料专家亚瑟?摩塔认为，采用新型合金，有可能解决比龙提出的问题。他说:“我们应该可以安全地增加燃耗。”

尽管有这些说辞，NRC还是委托阿贡国家实验室作进一步调查，他们本着加强增进核管会条例的观点，业已开始了一个长达3年的磋商研究。核管会的拉尔夫?梅尔说:“我们正在积极准备修订核管会说明燃耗效应的安全标准。一些临时标准已经启用。”

更难处理的核废料

另一方面，如何处置高燃耗核燃料所产生的废料，也是让人头疼的问题。长时间在反应堆中使用辐射铀，使得反应堆的放射性更强，当从反应堆移走核废料并将其掩埋储存时，这种得到增强的放射性物质的衰减会产生相应更多的热量。按照2006年负责处理英国核废料的尼拉克斯公司估计，在核废料所需要的整个储存期间，一个燃耗在55GWd/tU的核燃料在一个加压水反应堆中的辐射能可以比33GWd/tU这样的低燃耗核燃料多50%。

要保证这种内部产生的热量维持在安全限度内，就需要将这种用完的高燃耗燃料成分分开来储存。如果做不到这一点，就将可能引起核废料内部热量的增加，从而导致地下储存点的容器破裂，或波及到储存点附近的岩石，进而增加泄漏的风险。虽然高燃耗燃料的效率增加了，但这却意味着这类核废料需要更大的储存空间。

“核咨询工作组”是激进分子和反对核电的一个组织，该组织成员休?理查德说，在英国，这可能意味着政府将需要寻找两个地下的储藏库，而不是现在所设想的一个。今年4月中旬，理查德发表的一个研究报告中，有英国核能设施除役局对10个已经计划的AP1000反应堆高燃耗核燃料废料所产生放射能所做的估计，预计在2080年将出现10个新型反应堆，合起来所产生的核废料放射能峰值，将是英国现在所有核反应堆废料放射能峰值(预计在2020年出现)的两倍。

马里恩?希尔是英国政府辐射废弃物管理委员会的委员。他说，现在说这会不会对核设施除役局提出一个大问题还为时过早。但另一位也曾是英国政府辐射废弃物管理委员会委员的核顾问皮特?威尔金森却已经预测到一些问题。他说:“这势必将加大核废料库的体积和成本，并显示出更多技术上的不确定性和伦理上的无法估量性。”