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高放射性廢棄物要怎麼處理?

4 高放射性廢棄物要怎麼處理?

文•洪國鈞


一般所說的核廢料,分成兩種:第一種是高放射性廢棄物,也就是用過核燃料,因為已經明確決定不再繼續使用而產生的廢棄物;第二種則是低放射性廢棄物,也就是除了高放射性廢棄物以外的放射性廢棄物的總稱。前者通常來講,放射性較強、放射性元素的成分也比較複雜外,通常涉及核子武器擴散的相關議題,所以在處理上有比較多的顧慮,但並非在技術上完全無解。而更多的困境是來自於國際間對於核物料保防,也就是和禁止核子武器擴散的政治外交因素有關。以下是針對技術上處理高放射性廢棄物的方法,做一些簡要的說明:



暫時貯存

暫時貯存一般分成放在水池內,以水為流體,透過電力或馬達驅動冷卻水,以強制性而非自然對流的方式提供冷卻,以移除用過核燃料當中,因核分裂產生的放射性物質,因為衰變所累積的衰變熱,稱為「濕式貯存」(如圖1)。

濕式貯存通常是針對剛退出反應爐數天至數年,用過核燃料具有較高的衰變熱,須採用水池冷卻,且需耗用電力以確保冷卻水循環。由於此種冷卻方式須配備幫浦、熱交換器,且為淨化池水,須配備淨化系統,故平時需常備人員進行運轉、維護。

另一種則是將用過燃料以特製的燃料護箱貯存,利用空氣進行自然對流冷卻的「乾式貯存」(如圖2)。乾式貯存的散熱設計無需外部電源,常溫空氣經由混凝土護箱底部的進氣口流入,而熱空氣則由護箱頂部的出氣口流出,即可移除密封鋼筒所產生的熱量。乾式貯存設施無須配備其他動力機械設備,因此不會有機械故障的問題。

而乾式貯存應該在機械設計上盡可能的簡化,並減少強制性(須提供額外動力)的冷卻或保護裝置;因此,除非是有其他目的,例如,未來將對用過燃料進行再處理回收再利用,否則將乾式貯存護箱安置在室內結構物中,或是採用空調維持溫度與濕度的作法,反而會喪失了乾式貯存不依賴額外動力以達到長期冷卻的設計目的1。

乾式貯存已經是相當成熟的技術,也是國際間普遍採行的做法。至2014 年10 月為止,全世界共有121 座乾式貯存設施,分布於歐洲、美洲、亞洲及非洲共22 個國家;其中美國的乾式貯存設施已有69 座,德國16 座、加拿大9 座。美國第一座乾式貯存設施運轉至今已經30 年,已獲得政府核准運轉至2046年,合計60 年。

除了上述的乾式貯存設施之外,截至2014 年10 月止,世界上用過核燃料的濕式中期貯存設施,計有31 座。然而,自2000 年迄今,國際上僅新增1 座濕式貯存設施,位於中國甘肅省,於2003 年商業運轉;其餘新設置的都是乾式貯存設施,超過70 餘座之多。顯見乾式貯存的作法已經成為用過核燃料貯存的主流。



再處理

再處理是指用化學分離和純化的方法,從用過的核燃料中分離出可再利用的鈾與鈽元素。但現代核燃料再處理已不僅僅著重於回收鈾與鈽,還可以分離其他有用的元素,例如超鈾元素,甚至是貴金屬。

再處理的技術最初是在1949 年,由美國橡樹嶺國家實驗室成功的開發出了第一種溶劑萃取方法,來回收用過核燃料中的鈾和鈽,稱為「鈽鈾萃取法」,這種方法一直沿用至今2。美國在南卡羅來納州薩瓦那河區(SavannahRiver)建立了大規模的鈽鈾萃取工廠,在紐約州西谷村(West Valley)也興建了一座較小的鈽鈾萃取工廠。後者已於1972 年關閉。

由於印度在1970 年代初期掌握了核燃料再處理技術,並進行了鈽相關的核子武器實驗,引發了美國對再處理技術可能引發核子武器擴散的擔憂。1976 年10 月,美國總統福特頒布行政命令,無限期中止美國的商業再處理過程,以及從用過核燃料中回收鈽元素3。1977 年美國總統卡特宣布禁止對商業反應爐的用過核燃料進行再處理,其動機依然是擔心核子武器擴散。

目前營運中的再處理工廠,主要的有法國的亞瑞華(AREVA NC)公司的拉阿格(LaHague)再處理工廠,該廠具有可處理全球近50% 商用輕水式反應爐用過核燃料的能力5。其他主要設施如英國雪拉菲爾德(Sellafield)再處理廠(圖3)、俄羅斯的瑪雅克(Mayak)再處理廠、日本的東海村、六個所村核燃料廠以及印度的塔拉普爾(Tarapur plant)再處理廠等等。

經過回收的燃料稱為鈽鈾混合燃料(MOX),其反應度與一般濃化鈾燃料有差異,需重新進行安全分析才能使用,目前歐洲約有30 座核子反應爐,分屬法國、德國、荷蘭、比利時與瑞士,是使用MOX 燃料,日本福島一廠3 號機也有使用MOX 燃料。



深層地質處置

深層地層處置是以多重障壁的設計,將用過核燃料置放於地下數百公尺的穩定地層中,利用廢棄物體、包封容器、工程障壁及周圍岩層等構成層層保護,使其與人類生活圈完全隔離。原則上需選定深度約300 至1,000 公尺的穩定地質,確保在數萬年的時間週期內,高放射性廢棄物中的放射性物質都不致進入生態圈。

目前,作為軍事用途的最終處置場營運是位於美國新墨西哥州的廢棄物隔離先導場(WIPP),自1999 年3 月開始接收接收超鈾廢棄物進行處置。目前尚未有以商業用途的最終處置場營運,瑞典與芬蘭(圖4)正在興建最終處置場。美國雅卡山(Yucca Mountain)最終處置場則因政治問題無法營運。

由於用過核燃料經過再處理後,可回收9成以上的鈾與鈽做為資源應用,因此將其廢棄不用而直接進行處置,是否須兼顧世代正義留給後世子孫取出使用的機會;抑或是斷絕任何可以取出用過核燃料的途徑,避免放射性物質在未達萬年的隔離週期前遭意外取出,進入生態圈,各國均依國情與社會環境進行深入與全面性的討論。

其他的處置方法,如外太空處置,則因人類技術尚未成熟,並有鑑於過去俄國裝載核反應爐的人造衛星KOSMOS-954 發生墜毀意外,目前尚未有任何規劃方案提出。



再使用

從輕水式反應爐退出的核燃料,雖然已經無法在輕水式反應爐中繼續發電,然而,因為輕水式反應爐的物理特性,必須使用經過濃化程序提升核燃料中鈾的濃化度,達到3%-5%,以克服輕水式反應爐中氫原子吸收中子的不利效應。然而,當燃料使用完畢,該批次燃料的鈾已經消耗,以至於繼續使用該批次的燃料,其出力已經無法讓輕水式反應爐滿載發電,而必須退出反應爐時,燃料的濃化度約含有0.5%-0.9% 的鈾235,以及0.6% 的鈽239,仍高於天然鈾中鈾235 的濃化度(約含有0.71% 的鈾235)。因此,可以將這些輕水式反應爐中的回收鈾燃料,重新放入可以以天然鈾發電的重水式反應爐中繼續使用,那麼這些在輕水式反應爐雖然已經無法達成滿載出力的用過核燃料,仍可經由重水式反應爐繼續利用尚未使用殆盡的鈾燃料,繼續發電。

當然,也可以使用再處理程序後萃取獲得的回收鈽元素與鈾元素,並使其與經過濃化後的耗乏鈾(鈾235 的濃化度已低於0.71%)尾礦重新拌合,達成與天然鈾濃度相當的再製鈾。也可以經由重水式反應爐繼續利用這些回收鈾(鈽),繼續發電,並達成最佳的鈾燃料利用率。

一般來說,目前商轉用的重水式反應爐幾乎都是 PHWR,即類似壓水式反應爐,即一次側(即通過爐心)的冷卻水採用重水,而二次側(通過汽機)採用輕水。目前以加拿大AECL 公司自行研發的肯杜型重水式反應爐(CANDU),如果從商用輕水式反應爐退出的用過核燃料,直接拿到肯杜型重水式反應爐中繼續使用,用過核燃料可以繼續使用,使得最終需要處置的高放射性廢棄物體積可以減少70%7,目前的先導型研究是以壓水式反應爐的用過核燃料,直接使用於肯杜型重水式反應爐當中,這樣的概念稱為DUPIC。然而,由於肯杜型反應爐燃料元件的幾何形狀與輕水式反應爐不同,目前尚無法達成直接從輕水式反應爐一退出後,就可以立即置入肯杜型重水式反應爐中直接使用。

根據南韓原子能研究院自1992 年迄今的先導型研究結果,DUPIC 仍需經加工程序才能利用,且用過的核燃料也需要冷卻一段時間才能進行加工,在2000 年4 月已於HANARO 研究用反應爐測試小尺寸試驗,並於2001 年2月完成全尺寸的DUPIC 試驗,現於南韓的月城核電廠的重水式反應爐進行商用性的研究。

中國也於2016 年9 月,由中核集團、上海電氣與加拿大的埃森蘭萬靈工程公司組成研究團隊,進行肯杜型重水式反應爐的先進燃料研究,也是利用輕水式反應爐退出的核燃料,重置於肯杜型重水式反應爐中繼續使用,產生電力與動力。



核種異變

核種異變以消耗超鈾元素並進行發電,可解決用過核燃料的問題。目前此方法已經有初步的反應爐規劃,其中一型是由比爾.蓋茲投資設立的泰拉電力(TerraPower)公司所研發的行波式反應爐,現在原型機正規劃興建(圖5),此方法的概念是將高放射性廢棄物中,半衰期長達數萬年的放射性物質,重新照射成為半衰期約數日至數年的較短半衰期放射性物質,徹底解決放射性物質的問題,且異變過程中也能產生能量發電,可謂一舉兩得。

另一種核種異變的方式,則是利用加速器驅動高能質子,透過高能質子撞擊靶材產生高能中子,進而讓處於次臨界狀態的高放射性廢棄物核心(可維持自持性連鎖反應狀態)進行強迫性的核分裂,使高放射性廢棄物異變成較短半衰期的放射性物質,此種方式稱為加速器驅動次臨界反應爐。美國橡樹嶺國家實驗室自2006 年使用線性加速器進行相關研究,並成立「蛻變中子源」小組10。比利時核能研究中心與歐盟合作的「多用途混合式高科技應用研究用反應爐」,以商業級反應爐的研究為目標,以鉛鉍合金作為冷卻劑,並使用MOX燃料為核心,可附帶進行特性研究與同位素製造,預期於2025 年達成完全運轉。中國亦於2016 年由中國廣核集團與中國科學院合作,建造搭配ADSR 釷融鹽反應爐。



結語

高放射性廢棄物的處理,在技術上並非外界訛傳是個無解的難題,事實上人類已有相當能力可以貯存、回收、處置甚至是透過核種異變等方式,有效且安全地處理高放射性廢棄物。事實上,高放射性廢棄物並非萬年的垃圾廢料,因為這些放射性物質仍存有可觀的能量,部分先進國家已經將其視作資源而非垃圾。因此,我們應該要用正確的視野與思維,重新看待高放射性廢棄物的處理,才能為未來謀求最大的效益。
(本文本文作者為台灣電力公司核能工程師)

參考資料:
1. 行政院原子能委員會,用過核子燃料濕式貯存和乾式貯存的特性。
2. U.S. Department of Energy. "PlutoniumRecovery from Spent Fuel Reprocessing byNuclear Fuel Services at West Valley, NewYork from 1966 to 1972", February 1996
3. " G e r a l d F o r d O c t o b e r 2 8 1 9 7 6S t a t e m e n t o n N u c l e a r P o l i c y", J u n e2012 h t t p://www.p r e s i d e n c y.u c s b.e d u/ws/?pid=6561#axzz1zILTm1BT
4. N e d X o u b i, "T h e P o l i t i c s, S c i e n c e,Environment, and common sense of SpentNuclear Fuel Reprocessing 3 decadesLater", Symposium on the Technology ofPeaceful Nuclear Energy, Irbid, Jordan.2008.
5. Kok, Kenneth D, “Nuclear EngineeringHandbook.“, CRC Press. 2010
6. 行政院原子能委員會,高放射性廢棄物最終處置的安全管理。
7. World Nuclear Association, “RecycledLWR uranium and used fuel in PHWRs“,http://www.world-nuclear.org/informationlibrary/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/processing-of-used-nuclear-fuel.aspx
8. TerraPower LLC (TP) "TWR Technology"http://terrapower.com/pages/technology
9. H. Nifeneckera, "Basics of acceleratord r i v e n s u b c r i t i c a l r e a c t o r s, N u c l e a rI n s t r u m e n t s a n d M e t h o d s i n P h y s i c sResearch" A 463 (2001) 428–467
10. S.D. H e n d e r s o n, "S p a l l a t i o n N e u t r o nSource Operation at 1 MW and Beyond,"Oak Ridge National Laboratory, September2010.
11. H. A. Abderrahim et al., "MYRRHA - AMulti-Purpose Fast Spectrum ResearchR e a c t o r , " E n e r g y C o n v e r s i o n a n dManagement 63, 4, (2012).
12. World Nuclear Association,AcceleratorDriven Subcritical Reactor http://www.world-nuclear.org/information-library/current-and-future-generation/acceleratordriven-nuclear-energy.aspx
3 戈壁灘上的曙光—北山地 質處置實驗室參訪紀行 4 高放射性廢棄物要怎麼處理? 5 日本核電廠除役現況
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