新型核反應爐對核廢料處理意味著什麼？

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目前世界處理核廢料的方式既具創意又多樣化：將其淹沒在水池中、封裝在鋼材裡，或埋在數百公尺深的地下。

核能產業正是透過這些方法，安全地管理反應爐每年在產生全球 10% 電力時，所製造出的 10,000 公噸乏核燃料（spent fuel）廢料。然而，隨著新型核能設計的出現，核廢料管理可能會面臨新的挑戰。

現今核電廠中大多數運行的反應爐都遵循相似的基本藍圖：以低濃縮鈾為燃料，用水冷卻，且大多體積龐大，坐落於大型發電廠內。但在未來幾年內可能投入運行的多種新型反應爐設計，可能需要進行調整，以確保現有系統能夠處理其產生的廢料。

「關於這類琳瑯滿目的新型反應爐和燃料類型是否會讓廢料管理變得更容易，目前還沒有定論，」憂思科學家聯盟（Union of Concerned Scientists）核能安全主任艾德溫·萊曼（Edwin Lyman）表示。

核廢料處置手冊

核廢料大致可分為兩類：低放射性廢料，例如來自醫院和研究中心的受污染防護設備；以及高放射性廢料，這需要更謹慎的處理。

就體積而言，絕大多數是低放射性廢料。這些材料可以存放在現場，通常在放射性衰減到足夠程度後，基本上可以像普通垃圾一樣處理（需採取一些額外的預防措施）。另一方面，高放射性廢料的放射性要強得多，而且通常溫度很高。這第二類廢料主要由乏核燃料組成，包含鈾-235 等物質，這是核燃料中的裂變部分——即能維持核電廠運作所需鏈式反應的部分。該材料還包含裂變產物——即原子分裂釋放能量時產生的放射性副產品。

許多專家一致認為，乏核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——本質上是一個極深、管理極其嚴密的地下深孔。芬蘭在建設處置庫方面的進展最快，其位於該國西南海岸的場址預計將於今年投入使用。

美國在 1980 年代指定了一個地質處置庫場址，但政治衝突導致進展停滯。因此，目前美國的乏核燃料存放在運行中或已關閉的核電廠現場。廢料從反應爐取出後，通常會放入濕式貯存，基本上是浸泡在水池中降溫。隨後，這些材料可以放入稱為乾式貯存桶（dry casks）的防護性水泥和鋼製容器中，這一階段稱為乾式貯存。

專家表示，核能產業不需要為了新型反應爐設計而完全重寫這套手冊。

「我們管理乏核燃料的方式將大同小異，」專注於核能產業的非營利智庫核能創新聯盟（Nuclear Innovation Alliance）研究與策略經理艾瑞克·科思隆（Erik Cothron）表示。「我並不會因為擔心我們將如何管理乏核燃料而徹夜難眠。」

但新的設計和材料可能需要一些工程解決方案。而且反應爐設計種類繁多，這意味著潛在的廢料類型也同樣多樣。

不尋常的廢料

一些新型核反應爐看起來與現有型號非常相似，因此其乏核燃料的管理方式將與現在基本相同。但其他反應爐則使用新穎的材料作為冷卻劑和燃料。

「不尋常的材料會產生不尋常的廢料，」伊利諾大學厄巴納-香檳分校核能、電漿與放射工程助理教授賽義德·巴哈丁·阿拉姆（Syed Bahauddin Alam）說。

一些先進設計可能會增加需要作為高放射性廢料處理的材料體積。以使用 TRISO（全同向性截留型）燃料的反應爐為例。TRISO 包含一個鈾核心，周圍環繞著多層防護材料，然後嵌入石墨殼中。封裝 TRISO 的石墨很可能會與其餘乏核燃料混在一起，使得廢料比目前的燃料體積大得多。

根據核能創新聯盟 2024 年的一份報告，目前分離這些層級既困難又昂貴。這意味著整個組件都將被歸類為高放射性廢料。

X-energy 公司正在設計使用 TRISO 燃料的高溫氣冷堆。該公司已向監管美國反應爐的核能管理委員會（NRC）提交了處理乏核燃料的計劃。該公司表示，燃料的形式實際上可能有助於廢料管理：TRISO 使用的防護殼讓 X-energy 不需要濕式貯存，從第一天起就可以進行乾式貯存。

液態燃料熔鹽反應爐是另一種新型反應爐，也可能增加廢料體積。在這些設計中，燃料和冷卻劑不像大多數反應爐那樣分開；相反，燃料直接溶解在作為冷卻劑的熔鹽中。這意味著整桶熔鹽都需要作為高放射性廢料處理。

另一方面，其他一些反應爐設計可能會產生體積較小的乏核燃料，但這並不一定意味著問題較小。例如，快中子增殖反應爐（Fast reactors）可以實現更高的燃耗，消耗更多的裂變材料並從燃料中提取更多能量。這意味著這些反應爐產生的乏核燃料通常具有更高濃度的裂變產物，並釋放更多熱量。而熱量可能是設計廢料解決方案的關鍵因素。

乏核燃料需要保持相對冷卻，以免熔化並釋放有害副產品。處置庫中過多的熱量也可能損壞周圍的岩石。「熱量才是決定處置庫內能放置多少廢料的真正因素，」前美國能源部和 NRC 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、前 NRC 主席艾莉森·麥克法蘭（Allison MacFarlane）表示，某些乏核燃料在處置前可能需要進行化學處理。這可能會增加複雜性和成本。

例如，在以鈉金屬冷卻的快反應爐中，冷卻劑可能會進入燃料並與外殼融合。分離可能很棘手，且鈉與水的反應性極強，因此乏核燃料將需要專門的處理。

TerraPower 的 Natrium 反應爐是一款鈉冷快反應爐，已於 3 月初獲得 NRC 的建造許可。TerraPower 業務發展高級副總裁傑弗里·米勒（Jeffrey Miller）表示，該設計旨在安全地應對這一挑戰。該公司計劃在將材料放入濕式貯存池之前，先用氮氣吹掃材料以去除鈉。

地點、地點、還是地點

無論使用什麼材料，僅僅是改變反應爐的大小和選址，就可能為廢料管理帶來複雜性。

一些新型反應爐本質上是當今使用的大型反應爐的縮小版。這些小型模組化反應爐（SMR）和微型反應爐產生的廢料，處理方式可能與當今傳統反應爐的廢料相同。但對於像美國這樣將廢料存放在現場的地方來說，讓大量小型場址各自存放自己的廢料是不切實際的。

一些公司正考慮將其微型反應爐及其產生的廢料送回單一地點，可能是生產反應爐的同一地點。

麥克法蘭表示，應要求公司仔細考慮廢料問題並設計管理協議，並應讓其對所產生的廢料負責。

她還指出，到目前為止，廢料規劃一直依賴於研究和建模，而現實情況只有在反應爐實際運行後才會明朗。正如她所說：「這些反應爐還不存在，所以我們對它們將產生的廢料細節，其實還了解得不夠透徹。」