【科普】William:核電辯正 乏燃料處理有多「危險」?

2017-11-09 08:00:04
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

【香港輕新聞獨家首發】在全球暖化日益嚴重的今天,化石燃料的大量使用無疑是碳排放的罪魁禍首。而無可否認,相對於其他可再生能源,核能發電在大幅減少碳排放及發電效率上幾無人能及,幾乎是唯一可以取代化石燃料發電,作為「基載電力」(全天候持續運轉,供穩定且低成本)的能源(另一個是水力發電,問題是水力發電並不是每處地方都可以做,同時發電潛力也深受河流流量及地理環境影響)。

東亞對核電戒心特別大?

不過,經歷切爾洛貝爾及福島兩次七級核事故後,縱然事故都和第一代核反應堆潛在安全問題、當年選址不當及人為錯誤有關(切廠意外源於資深員工不值班時進行不必要的運行實驗),但仍有相當多人對核電安全性存在戒心。

這種戒心在東亞似乎更大,一來日本人剛受核災不久,二來亞洲部分人也對中國大力建設核電設施存有疑慮。然而,這似乎還有第三個原因:普遍民眾(尤其台灣及香港兩地)對核能科普的認知均遠不及其他發達國家 / 地區,輿論界、部分人士及個別激進環保組織更透過媒體及網絡散播大量不實訊息,令民眾對於核能誤解更深。

當中除核能運作的誤解外,對使用過的核燃料(即乏燃料)處理的誤解及謬誤也是非常明顯的,當中更不乏專業人士(當然,不是核專業的)的大力宣傳。這點不僅出現在核電原理或「核災風險」上,也出現在「事後處理」(即乏燃料及其他的核廢料) 上。鑑於前兩者已有相當多專文提及,今天在下想集中釐清乏燃料處理的誤解。

乏燃料,其實就是指已在反應爐用過的核燃料。當中包括未「燒」完的鈾235、平常狀態不會參與裂變的鈾238,以及其他裂變生成物,而這些生成物部分以放射性同位素形式存在,例如鈈、鍶-90、銫-137、鎝-99和碘-129等等。由於大部分同位素都具放射性,部分裂變生成的同位素甚至具高放射性,故這些乏燃料所具備的放射性比一般核廢料高,故又稱高階核廢料

不過,常溫常壓狀態下,只要分開一定距離存放,無論任何形式的高階核廢料,都不會達到臨界狀態,不會發生鏈式反應,更不會爆炸,只會放出衰變熱。核廢料處理廠最先要做的,就是用水不斷冷卻及帶走衰變熱,一般的大型水循環冷卻系統已經可以做到。這放置過程可持續幾年至十年時間,讓初期放出衰變熱較多的同位素衰變成其他放射性更低的物質為止。

圖片是一大塊準備用於核電池的高純度鈈,鈈所產生的衰變熱相當於一公斤570 WATTS/小時,算是很高了,而輻射相對低很多,你帶了手套都可拿著一小片幾小時而不會有危險。當然一整個冷卻水池中鈈的含量可能就只等於幾十公斤這種東西而已

乏燃料究竟怎麼處理?

好了,乏燃料再處理廠究竟做什麼?其實就是將放置了相當長時間,已經冷卻的乏燃料取出,然後再進行處理,將大部分物質變回可繼續「燒」的核燃料。要知道核反應堆的鏈式反應效率其實不太好,一般只能裂變掉核燃料當中的大約20-30%的可裂變物質,其他有用的可裂變物根本就浪費掉,故最好就不要浪費,把它們弄回來循環再造了!

再處理也有多個方法,其中最簡單的是把一些放射性高的同位素拿走後,直接將乏燃料削成合適外形,然後拿回重水反應堆「燒」!因為重水反應堆是可以直接讓鈾235濃度較低的核燃料進行鏈式反應。

另一個現時較常見的方法是將乏燃料中的可裂變物質,例如鈾235, 233, 238與鈈等透過一般化學反應和「裂變毒素」(可影響核反應的放射性同位素)分離,然後再調配比例成為新的核燃料,其中比較常提到的就是MOX。這過程基本上就和核燃料生產設施沒有大分別,只是初次提煉的鈾燃料只含極少量鈈。現時一般核燃料由於量少,每次都是以少量方式進行配制,過程已是機械化及隔離式操作,且操作環境有如實驗室級別。

由於每次處理都只是處理少量燃料,即使發生最嚴重的情況(即燃料因為濃度超越臨界而發生極短時間的小規模鏈式反應,例如東海道JCO臨界事故。順帶一提,網上大部分有關這事故的死者照片,其實都是和事故無關的假照片),也不涉及爆炸,絕大部分的輻射都只是影響室內,最多是波及附近的工作間而已。

至於殘餘高階核廢料的處理手法,過去七十年已證明是行之有效的,加之再處理過後體積進一步縮小,其實反而更容易處理。乏燃料再處理手段其實是處理高階核廢料的最佳手段,因為它本著的是重用再重用的原則,而且殘餘的高階核廢料體積亦會更小,現時的處理手法更加游刄有餘。

對乏燃料處理的四大誤解

好了,講了一大堆背景資料,究竟民間關於乏燃料的處理有什麼誤解?

  1. 乏燃料儲存不安全?

乏燃料由於不涉及連鎖反應,儲存設施也不涉及高壓蒸氣部件,爆炸危險性是非常非常非常低,所以其保護設施也不需要達到核電廠級數,事實上如果有持續的次級冷卻源(如海水),幾乎沒有爆炸的可能…… 現時涉及核燃料殘餘物的意外中最嚴重的,是60年前蘇聯一次意外,且嚴格來說,那次意外和更高階層的核武元素提煉有關1);其他涉及乏燃料再處理的事故最多就只有三級事故而已註2

  1. 乏燃料處理設施可能污染環境?

另方面,乏燃枓儲存池的安全性其實極高,因為水兼具屏蔽及冷卻的效果,在輻射屏蔽效果上比鉛更好。事實上,池面的水,本身的輻射含量可能比自然環境的背景輻射還要低。而由於核燃料本身有鋯合金外殼保護,池水本身亦不會接觸到內部的裂變物質。池水內的少量雜質在受中子輻射轟擊後可能帶有少量放射性,但處理手法其實和一般核電廠的冷卻水一樣:用過一段時間後放入另一個水池,待其衰變完後排出或者流回循環系統再用,而平時這些水也不會直接流出大海,因為其冷卻系統和一般核電廠一樣,都是二次循環系統。所以,處理設施對於環境的影響其實亦甚低。

  1. 乏燃料廠選址不應靠近海邊?

世上大部分乏燃料處理設施都在海邊或大河邊上,何解? 因為上文提過,海水可以為乏燃料的二次循環冷卻系統提供幾乎不會「斷供」的冷卻源,這是其安全的最大保證! 還有,英文維基上有全球再處理設施的資料,幾乎全都在海邊,而且不少地方和大城市十分接近註3。另一方面,乏燃料處理設施主要選在海邊也有另一個原因,以中國原乏燃料處理設施連雲港為例,除附近有田灣核電廠外,地理上也是中國沿海的中心位置,無論南方還是北方核電設施運輸乏燃料至此其實十分方便,任何核電廠開出的特種運輸船可在一日半內到達這裏;其次,上文已提過燃料再處理的最簡單手段就是切削成合適形狀再丟回重水堆「燒」,而中國最大的重水反應堆發電廠就在300多公里外的秦山三期。至於早年有人指選址是在甘肅北山,但事實上,北山其實是高階核廢料的最終深埋選址!

考慮到科技發展,在不久的將來,甚至可能連乏燃料處理都不用考慮,而過去已深埋的高階核廢料都可以循環再用,因為現時研發中的幾種反應堆,例如乘波堆、核嬗變反應堆及粒子加速器反應堆等,均是以高階核廢料為燃料,可以將可裂變的物質徹底"燒乾燒淨"!

  1. 乏燃料運輸方式不安全?

有人以為核廢料要經陸上運輸,會發生危險。的確,這是歐洲的情況,但事實上大部分核廢料都是用船運的,這是因為大部分核電廠都設在海邊,而一條二重底 / 三重底重防禦兼冷卻系統齊備的千噸級特種運輸船已可以搞妥一個核電廠十年量的核廢料有餘了! 外加上海軍/ 海岸巡邏船護航,有什麼恐怖主義份子可以敵得過這種火力?以日本為例,八十年代訂購的敷島級大型海巡船,其中一個主要任務就是為日本來往歐洲的核燃料 / 乏燃料運輸船進行護航,人家每年至少來回一次啊! 而且核廢料儲存容器其實已有相當足夠的防護,並不見得有什麼危險性,而且世上可從未發生過乏燃料運輸船遭騎勢的情況呢。

退一萬步來說,乏燃料船遇意外沉沒,其裝載器的危險性反而可能不大呢:冷戰以來全球共有大約5艘核潛艇在公海沉沒(美國2艘、蘇聯3艘)(註4),而對上一次事故已是29年前(1988年)的事了,長年以來都有環保組織監察這些潛艇的核洩漏情況,他們發現,部分潛艇的確有核洩漏,但只涉及艦上核武器內少量核材料(因為核彈頭因為要保持較輕重量,不會考慮超高水壓情況下的防護),反應堆中鈾235濃度極高的軍用核燃料在超高水下壓力下到現時仍沒有任何洩漏情況。何解?海洋本來就是一個永不枯竭的超大型冷卻池,而已關掉的反應爐本身就是一個高強度防護容器

K219殘骸近影

民眾對核能認知不足不是罪,作為公共團體或專業人士 / 科學人有立場也不是罪,但他們為立場而散播不實的科學 /科技訊息,那不僅涉及對錯問題,更涉及學術 / 專業道德問題。而且,以不實訊息誤導公眾,其實也是民粹主義蓋過理性及科學思考的表現。考慮到減少碳排放已是人類文明存續的關鍵之一,在諸如能源等公共及科學議題上向民眾散播不實訊息,而不是向民眾講解真實情況與風險,其實也是對全球所有人類的不負責任。

註釋

註1:事實上,那次意外嚴格來說不涉及發電乏燃料,而是提煉武器級高濃縮鈾及鈈後的殘餘物。蘇聯核事故比率一直較高,其實和他們早年的核擴軍政策有關,而且此廠址正正不在岸邊,且由於廢料內含有大量氮化物,擺放方法亦有問題(不是今天的大型池式,而是深埋垂直鋼筒式,且當時亦缺乏持續監控手段),結果當溫度上升,氮化物氣化,形成一個超級大型肥料炸彈。然而,今天任何形式的乏燃料都不會有氮化物這回事........http://www.environmentandsociety.org/arcadia/nuclear-disaster-kyshtym-1957-and-politics-cold-war

註2:這次事故也只是涉及的83立方米溶液流進了保護殼內,但仍能吸回,沒有流出廠外。https://web.archive.org/web/20070928003307/http:/www.hse.gov.uk/nuclear/llc/2005/sella2.htm#incidents

註3: 當中法國Marcoule的處理設施不但在河流邊,離海岸線不算遠,離馬賽更只有50公里,南法人口密度並不低啊;La Hague則在加萊半島頂端,英倫海峽的入口,這裏不但處理法國本土的乏燃料,更處理世界其他核電廠(尤其是歐洲的)的乏燃料。

註4:

國籍 事故日期 事故地點 船名 型號名
美國 10/4/1963 波士頓以東220海浬 長尾鯊號

(USS Thresher (SSN-593)

長尾鯊級(Thresher/Permit-class submarine)
美國 22/5/1968 阿速爾群島西南460海浬 天蝎座號

(USS-Scorpion,SSN-589)

鰹魚級(Skipjack-class)
前蘇聯 7/4/1970 比斯開灣 K-8 627型(鯨型) (蘇聯代號)
前蘇聯 3/10/1986 百慕達東北1090公里 K-219 667AУ型(江鱈型) (蘇聯代號)
前蘇聯 7/4/1989 北極圈熊島西南180公里 K-278 / 共青團員號 685型(魚鰭型)(蘇聯代號)

 

發佈於 軍事博評
By 2017-11-09

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