核電的未來很誘人，核廢料的問題很棘手

（來源：麻省理工科技評論）

核電站貢獻了全球 10% 的發電量，但每年會產生約 1 萬噸的乏燃料（spent fuel，核反應堆中經輻照、燃耗達標后卸出的用過的核燃料）廢料。

目前全世界處理核廢料的方式，既有創意又五花八門：泡在水池里、封進鋼罐中、埋到地下幾百米深處。但隨著新型核反應堆設計的出現，核廢料管理可能面臨新的變數。

目前運行中的核電站反應堆大多遵循相似的基本藍圖：使用低濃縮鈾作為燃料，用水冷卻，體積龐大，建在集中式電站里。但一大批新型反應堆設計可能在未來幾年投入運行，屆時可能需要對現有系統做出調整，以確保它們能處理新產生的廢料。

“這一大批新型反應堆和燃料類型是否會讓廢料管理變得更容易，沒有統一的答案，”憂思科學家聯盟（Union of Concerned Scientists）核電安全主任埃德溫·萊曼（Edwin Lyman）說。

核廢料處置手冊

核廢料大致可以分為兩類：低放射性廢料，比如醫院和研究中心受污染的防護設備；以及高放射性廢料，后者需要更謹慎的處理。

按體積計算，絕大部分是低放射性廢料。這類廢料可以就地存放，一旦放射性衰減到足夠低的水平，基本可以當作普通垃圾處理（需要一些額外的預防措施）。高放射性廢料則放射性強得多，溫度也往往很高。這一類廢料的主體是乏燃料，是多種材料的混合物，包括鈾-235——核燃料中的可裂變部分，核電站維持鏈式反應就靠它。乏燃料中還含有裂變產物，也就是原子裂變釋放能量時產生的副產物，其中一些具有放射性。

許多專家認為，乏燃料和其他高放射性核廢料的最佳長期解決方案是地質處置庫——簡單來說，就是一個非常深、管理非常嚴格的地下空間。芬蘭在這方面走得最遠，其位于該國西南海岸的處置場預計今年投入運行。

美國在 1980 年代指定了一個地質處置庫選址，但政治爭議導致進展停滯。所以目前在美國，乏燃料存放在運行中和已關閉的核電站廠區內。乏燃料從反應堆中取出后，通常先進入濕式儲存，也就是浸入水池中冷卻。之后可以轉入由水泥和鋼材制成的保護性容器中，稱為干式儲罐，這一階段叫干式儲存。

專家表示，面對新型反應堆設計，行業不需要把這套流程推倒重來。“我們管理乏燃料的方式基本上不會有大的變化，”核創新聯盟（Nuclear Innovation Alliance）研究與戰略經理埃里克·科思倫（Erik Cothron）說。核創新聯盟是一家專注于核工業的非營利智庫。“我不會因為擔心乏燃料管理的問題而睡不著覺。”

但新的設計和材料可能需要一些工程上的解決方案。而且反應堆設計種類繁多，相應地，需要處理的廢料類型也同樣多樣。

非常規廢料

有些新型核反應堆和現有的運行堆型很相似，它們的乏燃料管理方式也會大同小異。但也有一些采用了新型材料作為冷卻劑和燃料。

“非常規的材料會產生非常規的廢料，”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校核工程、等離子體與輻射工程助理教授賽義德·巴豪丁·阿拉姆（Syed Bahauddin Alam）說。

一些先進設計可能會增加需要按高放射性廢料處理的材料體積。以使用 TRISO（三結構各向同性）燃料的反應堆為例。TRISO 燃料的核心是一顆鈾芯，外面包裹了好幾層保護材料，再嵌入石墨殼中。包裹 TRISO 的石墨很可能會和乏燃料歸為一體處理，這會讓廢料體積比現有燃料大得多。

根據核創新聯盟 2024 年的一份報告，以目前的技術水平，把這些層分離開來既困難又昂貴，這意味著整個燃料組件會被一起歸類為高放射性廢料。

X-energy 公司正在設計使用TRISO 燃料的高溫氣冷反應堆。該公司已經向美國核管理委員會（NRC）提交了乏燃料處理方案。據該公司介紹，TRISO 燃料的形態實際上有助于廢料管理：其保護性外殼使 X-energy 不需要濕式儲存，從第一天起就可以直接進入干式儲存。

液態燃料熔鹽堆是另一種新型設計，同樣可能增加廢料體積。在這種設計中，燃料和冷卻劑不像大多數反應堆那樣分開存放，而是將燃料直接溶解在用作冷卻劑的熔鹽中。這意味著整缸熔鹽都需要按高放射性廢料來處理。

另一方面，還有一些反應堆設計可能產生更少體積的乏燃料，但體積小并不等于問題小。以快堆為例，快堆的燃耗率更高，能消耗更多的可裂變材料，從燃料中提取更多能量。這意味著快堆的乏燃料中裂變產物濃度通常更高，釋放的熱量也更多。而熱量可能是設計廢料處置方案時最關鍵的制約因素。

乏燃料需要保持相對低溫，否則可能熔化并釋放有害副產物。處置庫中熱量過高還可能損壞周圍的巖層。"熱量才是真正決定你能往處置庫里放多少東西的關鍵因素，"前美國能源部和核管理委員會官員保羅·迪克曼（Paul Dickman）說。

英屬哥倫比亞大學公共政策與全球事務學院院長、核管理委員會前主席艾莉森·麥克法蘭（Allison MacFarlane）表示，有些乏燃料在處置之前可能需要經過化學處理，這會增加復雜性和成本。例如，在使用金屬鈉冷卻的快堆中，冷卻劑可能滲入燃料并和燃料包殼融合在一起。把它們分離開來很棘手，而且鈉遇水會劇烈反應，所以這些乏燃料需要專門處理。

TerraPower 的 Natrium 反應堆是一座鈉冷快堆，今年 3 月初獲得了核管理委員會的建造許可。TerraPower 商務發展高級副總裁杰弗里·米勒（Jeffrey Miller）表示，該反應堆的設計能夠安全應對這一挑戰。公司的方案是在乏燃料放入濕式儲存池之前，先用氮氣吹掃材料表面，去除殘留的鈉。

選址，選址，還是選址

即使不考慮材料問題，僅僅是改變反應堆的大小和選址，也可能給廢料管理帶來新的麻煩。

一些新型反應堆本質上是現有大型反應堆的縮小版。這些小型模塊化反應堆和微型反應堆產生的廢料，處理方式可能和當前的常規反應堆差不多。但對于像美國這樣廢料就地存放的國家來說，讓大量分散的小型站點各自管理自己的廢料并不現實。

一些公司正在考慮把微型反應堆連同其產生的廢料一起送回某個集中地點，這個地點有可能就是反應堆的制造廠。麥克法蘭認為，企業應當被要求在設計階段就認真考慮廢料問題、制定管理方案，并為自己產生的廢料承擔責任。

她還指出，到目前為止，廢料方面的規劃都依賴于研究和模型推演，真實情況只有等反應堆實際運行之后才能明朗。用她的話說：“這些反應堆還不存在，所以我們對它們將產生什么樣的廢料，其實還了解得很有限。”

https://www.technologyreview.com/2026/03/18/1134345/advanced-nuclear-reactors-waste/