专题
首页  >  专题  >  科技热点  >  热点

【深度科普】核废水到底是什么?面对核废水我们可以做什么?

来源:中国数字科技馆
  2021年4月13日,日本政府宣布将东京电力公司福岛第一核电站内储存的核废水排放入海,排放总量将超过100万吨,一时间举世哗然。
核废水,核废水到底是什么,面对核废水我们可以做什么
  (这是4月13日拍摄的日本福岛第一核电站。新华社/共同社)
核废水,核废水到底是什么,面对核废水我们可以做什么
  (4月13日,一名市民在日本东京通过手机浏览日本决定将福岛核污水排入大海的新闻。新华社记者 杜潇逸 摄)
  一、揭开核废水的神秘面纱
  在文章的开头,我们先来了解一下什么是核废水。一般情况下我们所说的核废水是指含有放射性元素从而存在一定放射性的放射性废液。那这些废液是从何而来,又是怎样处理的呢?
核废水,核废水到底是什么,面对核废水我们可以做什么
  (这是2月13日拍摄的日本福岛第一核电站核污水储水罐。新华社/共同社)
  众所周知,水资源对于核电站来说是保证其正常运行的重要元素。核电站的生产用水主要是冷却用水,滨海核电站的冷却方式一般采用海水直流冷却,因而所用淡水量较少,但内陆核电不仅用水量大,水质要求高,并且核电站的正常运行离不开稳定的水资源供应,所以需要较高的供水保证率,采用循环冷却方式的核电厂单台百万装机机组年用水量为4000万㎡,退水量约为1100万㎡左右。为确保排放的废液中放射性元素浓度达到安全标准,必须要求有相当的水量进行稀释。因此,核电部门在选址时,水资源条件是决定选址的关键性因素之一,要求具有充足、可靠的水资源保障,并需充分考虑特枯时期水量和水资源调度条件。
  低放射性废水的长期排放会造成在水流交换弱的地区形成放射性元素富集区域,还可以通过底泥吸附、食物链传递、地下水侧渗等方式形成放射性元素的富集,影响下游水质。内陆核电站的突发性事件对其下游的供水安全存在潜在的风险。核岛内的核素一旦外泄并进入下游水体,将对下游供水水质安全产生重大影响。
  我国水资源日益短缺、污染日益严重以及河流型饮用水水源地水量和供水人口日益增加,已经成为内陆核电建设发展的主要限制性因素,核电建设项目水资源管理也受到社会的普遍关注。在国家实行最严格水资源管理制度的新形势下,核电建设项目水资源管理工作也将受到高度重视。由此可见核电站需水量之巨大。
  淡水资源在经过核电站的使用之后会形成含有放射性元素的放射性废水。在核电站的正常运行工序下,放射性废液中的放射性元素主要来自于裂变过程中和活化过程所产生的放射性核素离子。在反应堆运行的过程中,一回路冷却剂中溶解性的硼酸通过反应产生氚元素,造成冷却剂中的氚浓度也不断增加积累。然而现在没有经济可行技术将氚从一回路冷却剂中分离出来,因此只能采取排放冷却剂的方式来维持一回路冷却剂中氚的活度水平,所排放的冷却剂就是核电站放射性废液的主要来源。在放射性废液中,氚、来自燃料的裂变产物、来自燃料污染物的裂变产物以及活化腐蚀产物等都是放射性废液中的主要成分。
核废水,核废水到底是什么,面对核废水我们可以做什么
  (日本福岛第一核电站内拍摄的核废水储存罐。新华社发)
  对于正常工况下核电站所产生的放射性废水,现在有多种方法可以对其进行处理,例如:絮凝、过滤、蒸发、离子交换、膜分离技术等,使其所包含的放射性元素降低到标准范围以内进而被排放至受纳水体中。在现实情况下,工程师们会根据水质条件采取不同的处理工艺或者采用合理的工艺组合,从而达到理想的处理效果。
  经一系列处理后,放射性废液的放射性程度就变得很低了,我们称之为低放射性废液。虽然其放射性程度很低,但是我国依然出台了相关的排放标准,从根本上保证人们的生产生活安全,例如对核电排水中的低放射性物质实行浓度指标、总量指标的双重控制,并要求相关单位高度重视核电低放射性废液排放方式的设计并尽可能地创造更有利的稀释扩散条件。
核废水,核废水到底是什么,面对核废水我们可以做什么
  二、历史上骇人听闻的核事故
  尽管人们在利用核能的路上已经积累很多的经验,安全保障技术也愈发成熟,但这些宝贵的经验都是由一场场令人惋惜的灾难换回来的。下面我们一起简要回顾一下人类历史上几起相对严重的核事故。
  1、三哩岛核电站事故
  三哩岛核电站位于美国宾夕法尼亚州(Pennsylvania)首府哈里斯堡(Harrisburg)东南16km附近,其二号机组(TMI-2)是由美国巴布科克(Babcock)和威尔科克斯(Wilcox)公司设计、Metropolitan Edison公司运行的950MW电功率(880MW净电功率)压水反应堆。1978年3月28日达到临界,一年后的1979年3月28日发生了美国商用核电站历史上最严重的事故-三哩岛核电站事故。这次事故由给水丧失引起瞬变开始,经过一系列事件造成了堆芯熔化,大量裂变产物释放到安全壳。尽管对环境的放射性释放以及对人员和环境造成的辐射后果很微小,事故定级也只有5级,但该事故对世界核工业的发展造成了深远的影响。
  这次事故是由于核电站二回路的水泵发生故障后,二回路的事故冷却系统自动启动,但因前些天工人检修后未将事故冷却系统的阀门打开,致使这一系统自动启动后,二回路的水仍处于断流状态。当堆内温度和压力在此情况下升高后,反应堆就自动停堆,卸压阀也自动打开,放出堆芯内的部分汽水混合物。同时,当反应堆内压力下降至正常时,卸压阀由于故障未能自动回座,使堆芯冷却剂继续外流,压力降至正常值以下,于是应急堆芯冷却系统自动启动,但操作人员未判明卸压阀没有回座,反而关闭了应急堆芯冷却系统,停止了向堆芯内注水。这一系列的管理和操作上的失误与设备上的故障交织在一起,使一次小的故障急剧扩大,造成堆芯熔化的严重事故。
  事故中大约70%的惰性气体(主要是133Xe(氚-133))、30%的I和50%的Cs(铯)以及少量其他裂变产物释放进入了主冷却系统.部分放射性物质通过开启的泄压阀进入了安全壳底部的泄压箱。15分钟后泄压箱满溢,爆破阀破裂,放射性水进入地坑,裂变气体进入安全壳。此后,一部分放射性水被送至辅助厂房内的排水箱,造成部分放射性核素外溢;加上操作员打开主系统下泄系统也造成了放射性核素的泄漏。操作员认为主系统水量过多,打开了下泄系统,将部分冷却剂经净化系统引入容积控制箱,从而与除气系统相通。除气系统将释放的气体压缩至衰变箱并经过滤器排向烟囱。事故中主系统产生大量气体,使得除气系统超载,气体从容器控制箱的安全阀排出,大约5%的惰性气体和10-5 %的气态I进入了环境。
  三哩岛事故中释放出的放射性物质极少,说明安全壳十分重要。虽然安全壳并非绝对不泄漏,但基本未受到机械损伤。由于安全壳喷淋液中添加了氢氧化钠,绝大多数碘和铯被捕集在安全壳里。从安全壳泄漏出的气体经过辅助厂房,因而大部分放射性物质被过滤器收集。
  2、切尔诺贝利核电站事故
  1986年4月26日星期六的凌晨,在前苏联切尔诺贝利4号机组发生了核电历史上第一次最高级别的7级核电站事故。该核电站事故是在反应堆安全系统试验过程中发生功率瞬变引起瞬发临界而造成的严重事故。反应堆堆芯、反应堆厂房和汽轮机厂房被摧毁,大量放射性物质释放到大气。
  事故发生时,共有四台1000MW的RBMK型反应堆在运行,在附近还有两座反应堆正在建造。出事的4号机组于1983年12月投入运行。切尔诺贝利核电站规划建造8台100万千瓦电功率的核电机组,在建设社会主义的热情之下,1977年,切尔诺贝利1号机组启用,紧接着,1978年二号机组启用,1981年3号机组启用,1983年4好机组启用。此时,5,6号机组正在建设,而5号机组也完成了约80%的工程进度,7,8号机组也正准备开工建设。
  这些机组在正常安全的条件下运行是没有任何问题的。但一旦发生事故,当放射性物质大量泄漏时,没有任何防护措施能阻止它进入大气。原设计反应堆本体和汽水分离器主要冷却回路分别置于混凝土的辐射防护屏蔽隔离室,由这些相邻隔离室组成反应堆主厂房,厂房不密封、不能承受压力,起不到安全壳的作用,其安全防范措施比压水堆差。
  切尔诺贝利事故发生以后,有关部门采取了诸多对该区域水资源进行了一定程度上的保护,防止放射性物质扩大范围,避免更深程度地对当地水系造成污染。
核废水,核废水到底是什么,面对核废水我们可以做什么
  (乌克兰基辅附近,切尔诺贝利核电站新掩体正式竣工,将4号机组反应堆罩住。新华社记者陈俊锋摄)
  为防止厂区附近降雨污染物转入重要水系,前苏联成立了一个专门消除雨云的气象飞机队,向空中云雨投掷了装有特殊物质的纸箱,以驱散雨云。投掷这些“气象飞弹”后,完全排除了方圆30公里区域内的降雨,避免了流经基辅的第聂伯河造成重度污染。在清理厂区放射性物质时,为了防止雨水冲刷造成放射性物质污染水系,抢修人员在厂区临时筑了围堤。
  从本质上说,切尔诺贝利事故是由过剩反应性引入而导致的严重事故,但是由于以下几个原因使得该事故发展成为人类历史上最为严重的一次核电站事故。首先,管理混乱,违章现象严重。操作员在操作过程中严重违反了运行规程。其次,反应堆在设计上存在严重缺陷,不具备固有安全性。反应堆具有中的反应性系数。虽然在正常工作点上,综合的功率反应系数为负值,但是在东西功率低于20%额定功率时,这个综合效应却是正的。因而,在20%额定功率以下运行时,反应堆易于出现极大的不稳定性。在存在其他各种外在因素(操作员多次严重违反操作规程)条件下,正是通过这个内在的、正的反应系数导致反应堆瞬发临界,造成了堆芯破碎事故。此外,该核电站没有安全壳,也是该事故造成对环境严重影响的一个原因。
  三、福岛核电站事故
  本福岛核电站位于日本福岛工业区双叶郡,包括福岛第一核电站(6台机组)、福岛第二核电站(4台机组),均使用混合氧化物燃料。福岛第一核电站1号机组于1971年3月投入商业运行,第二核电站1号机组于1982年4月投入商业运行。福岛核电站的核反应堆均为单循环沸水堆,只有一条冷却回路,蒸汽直接从堆芯中产生,推动汽轮机。其中1号机组已经服役40年,出现多处老化迹象,包括反应堆压力容器的脆化、出现腐蚀,热交换区废气处理系统出现腐蚀等。2011年2月原子能安全保安院批准了东京电力公司关于福岛第一核电站1号机组的延寿申请,同意这一机组延寿20年,到2031年正式退役。
核废水,核废水到底是什么,面对核废水我们可以做什么
  (这张电视截图照片显示的是3月12日日本东北部福岛第一核电站1号机组爆炸后冒出白烟。)
  2011年3月11日下午14时46分,伴随着里氏9.0级强震,北日本地区电网系统遭到严重破坏,造成日本东北地区大面积停电。地处重灾区的福岛第一核电站正在运行的1c3号反应堆机组因地震和断电立即采取应急措施-终止反应堆内部的核裂变反应。但反应堆内还有大量的放射性裂变产物,它们依旧以衰变方式释放能量。这部分衰变热功率在25~45MW之间,相当于3万~5万个电炉同时燃烧。如果不利用冷却水迅速将这部分热量转移出去,反应堆芯温度会迅速升高,很快被熔毁。所以,反应堆停止运行后依旧需要长期冷却。
  外部电网断电后,作为应急电源的柴油发电机组自动启动,维持反应堆的循环水冷却系统正常运行。然而,地震引发的次生灾害-海啸随之而来。震后不到1h,高达10m的海浪到达福岛海岸,而福岛核电站的防波堤不足6.5m.洪水冲进核电站,迅速淹没了设在岸边的应急柴油发电机组,使发电机组停止工作。此时,作为第三套应急电源的蓄电池自动接入。然而,1号机组的电池组在1h后耗尽,3号机组的电池组在3.5h后也耗尽,两个机组的冷却系统彻底瘫痪。2号机组的水泵阀门在3d后失灵,冷却系统也停止运行。至此1~3号机组先后处于无冷却状态。随后,反应堆芯容器内液面下降,燃料棒露出水面,暴露在水蒸气中。
核废水,核废水到底是什么,面对核废水我们可以做什么
  (这是2017年10月12日在日本福岛第一核电站内拍摄的1号、2号、3号和4号反应堆(从左至右)。新华社发)
  裸露的燃料棒若得不到有效冷却,温度会迅速上升。当燃料棒温度达1200℃以上时,锆合金将与水蒸气发生化学反应,放出大量氢气,而且这一反应放出的热量会进一步加热燃料棒;当温度达到1800℃时,包壳材料开始熔化;当温度达到2500℃时,燃料棒将会熔毁、坍塌到堆芯底部;当温度达到2700℃时,作为燃料的铀(U)会与包壳材料的锆形成高温熔融状态。
核废水,核废水到底是什么,面对核废水我们可以做什么
  (这张东京电力公司2011年4月10日提供的照片显示的是福岛第一核电站的3号反应堆。)
  粗略估计,在事故中,1号机组可能放出300kg氢气,2号、3号机组可能放出300~1000kg氢气。这部分氢气会通过冷凝水池进入到压力容器(核燃料的第二层保护屏障)和安全壳(核燃料的第三层保护屏障)中间。安全壳设计耐压为4~5atm,但是,事故中其内部压力达到8atm以上,就必须马上减压,以免发生爆炸,形成严重的放射性泄漏。此时,唯一的措施就是采取旁路放气的办法泄压。因此,带有少量气体放射性物质的氢气、水蒸气混合气体被排放到反应堆上部的工作区内。由于氢在空气中的浓度超过4%就会发生爆炸,因此,1~3号机组先后发生氢气爆炸,将建筑的上半部分屋顶和墙壁炸飞,同时,带有放射性的气体进入环境中,形成了放射性污染。值得庆幸的是,反应堆下部的建筑结构非常坚固,爆炸没有对下部建筑产生破坏,压力容器和安全壳未出现严重破损,绝大多数放射性物质依旧被屏蔽在反应堆内部。
  地震发生时,4~6号机组正处于停堆维修状态,乏燃料存放在储存池内,但依旧需要冷却。同样由于缺乏动力,乏燃料储存池内的水温在放射性衰变所产生热能的作用下快速上升,达到沸腾状态。随着水蒸气的蒸发,液面下降,燃料棒露出,重复着和堆芯燃料棒损毁相似的过程。尤其严重的是,乏燃料储存池不是封闭的压力容器,产生的气体很容易外泄,而且熔毁的固体放射性物质很容易被释放到外部空间中,因此,更容易形成大量放射性物质泄漏,具有更大的危险性。4号机组同样发生了氢气爆炸,爆炸后周围放射性物质辐射量有所上升。
核废水,核废水到底是什么,面对核废水我们可以做什么
  (日本福岛第一核电站内的核废水储存罐。新华社发)
  为遏制事故进一步恶化,东京电力公司先后利用移动水泵向反应堆芯、安全壳乃至整个建筑内注入海水,这是不得已而为之的应急措施。但同时产生了大量高浓度的放射性废液,这些废水的存放不当或处理不力将会产生次生灾害,为后续的事故处理制造障碍。2011年4月12日,日本决定将福岛核电站事故等级提高至最高级7级。随着时间的推移,核燃料的发热量将会衰减,加上外部电源的接入,反应堆冷却水循环系统已恢复,发生事故的反应堆情况都已基本稳定。目前,东电公司已经开始了事故现场的清理工作,最主要的任务就是处理积存在现场的大量高放射性废水。
  而就在2021年4月13日,日本政府宣布将东京电力公司福岛第一核电站内储存的核废水排放入海,排放总量将超过100万吨。日本政府这样的处理方式很难使世人信服。
  四、国家“保姆级”的预案
  随着我国2020年中央经济工作会议在12月18日在北京顺利落幕,会议上明确指出明年要抓好八项重点任务。其中就包括做好碳达峰、碳中和等相关工作。核能因其优质稳定、清洁、经济、安全等特性,成为我国新能源的主力军,是实现我国碳达峰、碳中和等工作的重要能源利用方式,其健康发展对于提高人民生活质量、保护生态环境、促进社会经济和谐发展等均具有重要意义。而日本的福岛核电站机组爆炸,造成了严重的核泄漏事故和水资源安全危害,这给我国的核电水资源管理提出了新的警示。在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》(“十四五”)中明确提出要“安全稳妥推动沿海核电建设”。在经历了切尔诺贝利核事故以及最近的福岛核事故后,人们不禁发问,我们应该如何“安全稳妥”推动核电发展呢?一旦发生类似严重的事故,国家和我们又能做些什么呢?
核废水,核废水到底是什么,面对核废水我们可以做什么
  (2017年10月12日,在日本福岛第一核电站内,工作人员使用放射性计量仪测量3号反应堆附近的辐射值。新华社发)
  首先,在核电站正常的运行工序下,其排放的放射性废水也会对周边的生态环境产生一些影响。对于核电站尤其是内陆核电站,其退水中的低放射性废水对下游水质安全构成的影响是大家极为关心的问题。正如前文所说,低放射性废液的长期排放可能会造成在水流交换弱的区域成放射性元素的富集,还可通过底泥吸附、食物链传递、地下水侧渗等方式形成放射性素的富集,从而影响河流下游水质。
  我国在役的核电站,多年的实际运行监测结果及数学模拟计算结果表明,仅在排水口一定区域内的放射性浓度略高于天然本底值,而超过这个区域则恢复为天然本底值,对周围的水环境未造成放射性污染,并未影响区域内的水质安全。此外,根据附近海水、海底沉积物和生物体内浓度的测试结果,进行的周围生物尤其是鱼类的辐射剂量的估算研究结果显示,其生物辐射剂量远小于国际上建议的非人类生物辐射剂量限值,并且也没有观察到任何对生物有害的反应。所以对于一个正常运行的核电站来说,即使其会向周围水体排放放射性废水,其放射性程度也是较低的,不会对周边环境及生态系统产生很大损害。毕竟,所有从核电站排出来的废水都是经过一系列工序使其放射性浓度降低到标准值以下才可以被允许排放至外界。
  其次,对于广大居民来说,核电站排放的低放射性废水对人体的损害少之甚少。我国早在20世纪80年代就通过潮流污染扩散数值模拟方法计算了大亚湾核电站液态排放物在附近海域的浓度分布,在此基础上计算了人在海域活动的外照射和食用当地海产品的内照射剂量当量,同时计算了低放射性废液对各类海生生物造成的剂量率,根据计算结果得出的结论认为,大亚湾核电站正常运行时的低放射性废液排放对广大居民的身体健康是不造成危害的,对水生生物不会锕产生有害的影响,后来大亚湾核电站实际运行的长期监测和调查结果也证实了这个结论。所以大家完全不必担心其废水的放射性会对自身影响造成伤害。
  而一旦发生较为严重的核电事故,大家也不需要惊慌,因为国家早已做足了应急预案。我们唯一要做的就是遵守政府的要求。
  随着历史上核事故的发生和所带来的放射性危害使得安全核电的观念不断加深,并促使核电安全技术的不断发展。世界核电发展国和国际组织建立起相应的核能安全体系,其中包括核反应堆安全技术(4道屏障、安注系统、减压消氢系统及其他提高安全裕量的技术等)、核电厂安全管理标准、高低放射性废物存储和管理规范、放射性物质排放技术标准、厂区和场外的核事故应急响应计划和预案等。这些核电安全技术规范主要从减少放射性核素泄漏以及保护公众不受辐射危害的角度出发来预防核电站事故造成的危害。尽管以上安全技术和措施对放射性核素泄漏量进行了控制,有利于减少其对水安全的影响。
  若核电事故真实发生以后,由于核素会通过各种介质、各种途径迅速扩散,造成放射性影响,政府及有关部门会迅速启动应急对策。核电事故应急对策主要包括以下几个方面:
  ①启动核电事故应急预案;
  ②事故条件下地表水隔离措施和地下水防渗措施;
  ③中、高放射性流出物;
  ④外封“石棺”处理措施;
  ⑤内陆核电事故条件下水量应急调度与调控措施;
  ⑥事故情况下水质应急监测;
  ⑦事故条件下水安全信息发布方案。
核废水,核废水到底是什么,面对核废水我们可以做什么
  除此之外,早在2016年中华人民共和国水利部就已经在起草相应的建设和运行制度,以此来为中国核工业的安全稳定运行提供保障。《滨海核电建设项目水资源论证导则》(SL/T 777-2019)就是其中之一。这部在2019年5月31日发布,并从2019年8月31日开始实施的导则针对滨海核电建设与运行的取水、用水和排水的相关特点,有针对性地给出了具体指导意见。这篇导则中不仅仅对液态放射性废水提出了指导性意见,还对其有可能涉及到的浓盐水,温排水等常见污染形式提出了相应的一般性的指导意见。可见其考虑之全面。所以,作为一名普通人,坚决听从政府的指挥,配合相关部门工作就是我们为降低事故损失所做的最好表现。
  以上就是我国为具体实现核电安全稳妥推动核电发展的部分举措,也希望在未来可以有更多针对性的指导意见和规章被提出来,为核电的稳定可靠运行保驾护航。
  (作者:樊国华)
  科学性把关:华北电力大学环境科学与工程教授、博士生导师,丁晓雯
本文来自:中国数字科技馆
特别声明:本文转载仅仅是出于科普传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或其它相关事宜,请与我们接洽。
[责任编辑:刘兴飞]
分享到:
文章排行榜
猜你喜欢
©2011-2021 版权所有:中国数字科技馆
未经书面许可任何人不得复制或镜像
京ICP备11000850号-1 京公网安备11010502039775号
信息网络传播视听节目许可证0111611号
国家科技基础条件平台
./t20210603_1049034_taonews.html