140万吨福岛核污水,除了排入大海还有别的更好办法吗?

来源: 经纬创投
日本为什么执意要往大海里排?如此多的核污水如果真被倒进太平洋,海鲜还能吃吗?

4月13日,日本政府举行内阁会议,正式决定向海洋排放福岛核电站含有对海洋环境等有害物质的核废水。

这一决定意味着东京电力公司将获准在两年内启动核污水的排放工作。这些仍具有放射性的污水是十年前福岛核泄漏事故之后用来冷却融毁受损的反应堆而不断产生的。

此举引发了很多人的恐慌——这样做安全吗?

其实,核能作为一种高效清洁的能源,在人们生活中占据了一席重要的地位。所有规模化应用的核电站,全都是通过重核裂变的链式反应来提供能量的,其中压水反应堆核电站占了核电站的六成以上,发电原理非常简单:依靠核反应释放大量的能量,将核能转变成水的热能,再通过二回路的水变成饱和水蒸气,水蒸气通过汽轮机将热能转变成机械能,最后机械能带动发电机,将电力传送到千家万户。整个过程可以说是安全无害的。

然而,福岛核电站受地震影响攒下了上百万吨“核污水”,固然有天灾的成分,东京电力公司的处置失误也是不能抵赖的。

不少人有疑问,核反应堆中的核废料用完最后到哪里去了呢?会影响人们的安全吗?核废料除了排入大海,还有其他处理方式吗?这么多的福岛核污水,是怎样形成的呢?日本为什么执意要往大海里排?如此多的核污水如果真被倒进太平洋,海鲜还能吃吗?

为什么要处理核废料?

  • 核辐射

核废料的主要成分是铀238和钍232,包括反应中未烧完和生成的易裂变元素,钚239和镎、镅、锔等超铀元素,人体接触这些放射性元素超过正常的辐射剂量,电离辐射将会破坏人体细胞中DNA的双螺旋结构,使碱基丢失损坏。

一座100万千瓦的核电站一年可以产生几十吨放射性废料,加工处理后产生4立方米高辐射核废料、20立方米中辐射核废料、140 立方米低辐射核废料及200立方米非辐射性废料。

如果接受辐射剂量不大,那么细胞自身具有修复机制;但如果辐射量非常大,将会直接使蛋白质变性,染色体畸变,甚至使DNA复制所需要的解旋酶和聚合酶变性,那么正常的体细胞将无法复制,细胞只会老化而无法新生,皮肤将会产生不可逆转的溃烂,所以接受大剂量辐射的人都需要截肢,可谓是相当可怕了。

此外,核废料的危害和其他放射性物质危害是类似的,首先是放射性核素,这些放射性核素如果泄漏,会进入空气、水源,或者吸附在生物表面,最终有可能通过饮食或呼吸进入人体,引起各类放射性疾病,造成人寿命的缩短。

  • 高浪费

从燃料利用率方面来看,目前的裂变堆主要利用天然铀中仅占0.7%的U-235作为燃料,而占绝大多数的U-238却无法有效利用,综合铀资源的利用率还不到1%。据世界能源组织估计,按目前反应堆对核燃料的消耗速度,铀在地球上的储量大约只够使用200年。

全球有哪些处理核废料的方法?

过去几十年,如何处理核废料一直是核工业面临的一个悬而未解的难题。例如美国就已经在该问题上进行了长达20年的研究,并耗费了上百亿美元的支出。美国在1987年首次提出了在内华达州山脉中的深层地址结构中存放核废料的计划,但时至今日,该计划的实施仍然没有任何的进展。

对于有"万年恶灵"之称的高放射性核废料,学界认为最为妥当的处置方法是地质深埋,但因其建造要求特殊、技术复杂,截至目前,在国际上并无一座成型的永久性放废库。

以下为全球处理核废料的几种方法:

  • 地质掩埋

化学反应无法缩减核废料的放射周期,因此中高放射性核废料的处理以地质掩埋为主,为了降低放射性核废料随地下水扩散。核废料首先会混入玻璃材料,然后装入可屏蔽辐射的圆柱形金属桶中,转为一种长期稳定并且不会降解的固体,这样就不会因为降解时产生热量而将金属桶胀破导致核泄漏。

核废料的外筒需要用油漆刷成醒目的黄色,标注上警示语,目的是为了告诉在几万年以后的人类,远离这些物品,然后再掩埋到地底500米到1000米的深度。这种方法适用于国土面积较大的国家,也是目前最安全的方法。

这些中高放射性的核废料处理原则就是要保证10万年安然无恙,等到10万年以后,核废料中的放射性元素都已经衰变成不具有放射性的物质,或者是放射性非常低的物质,就可以保证安全。

  • 沉入4000米以下的深海底部

对于一些低放射性的核废料,部分国家选择将它们永久沉入4000米以下的深海底部,海床底部的土质厚实容易吸收放射性物质,制作方法当然也和中高放射性核废料的方法一样,都是采用罐装的形式。原则上是至少检测300年的时间,下图中的红点就是国际指定的核废料海洋投放点。

  • 送入太空

“土葬”和“海葬”是最主要的两种核废料处理方式。除了这两种方式,有科学家提出将中高放射性核废料运往月球,将月球作为安置点或者将核废料送入太阳中,这样就不会对人类造成威胁。

但有一个问题,火箭如果发射失败爆炸了,至少上亿人将受到牵连,这个方法显然行不通。

  • 冰冻处理

另一种提议是利用冰冻法将核废料封锁在熔点较高的金属容器内部,再将金属容器放置在两极,由于核废料会释放大量的热量,冰面会逐渐融化,装有核废料的容器便会沉入冰底,由于气温原因,冰面又会重新冻结,这样核废料就会一直被封锁在冰底,与世隔绝。

考虑到冰川移动的问题,核废料可能会飘离两极,还是有很大的风险。

  • 盖茨的新解法:用核废料发电

在2010年的TED大会上,盖茨宣布,他的工作重心已经转移到了能源和环境领域,而且他还有一个疯狂的想法:利用核废料发电。

其实,整个项目是通过一家名叫TerraPower的创业公司实现的。该公司的创始人是盖茨在微软的同事,前CTO Nathan Myhrvold。这家小型创业公司的员工由数十名工程师、物理学家和核研究方面的专家组成。

在当时的能源研究领域,这几乎被当做是天方夜谭。但盖茨在2014年年末再次谈及这一项目,并向全世界证明他当时并不是信口开河:该项目正在筹备中,一旦建成,发电量可供美国使用800年。

2020年5月,TerraPower还获得了美国能源部的资助。美国能源部宣布先进反应炉示范计划(Advanced Reactor Demonstration Program,ARDP)希望推动小型模块化核电厂的发展,于2020年10月中宣布选择两个研发团队,分别为TerraPower、X-energy,各补贴8,000万美元,总共注资1.6亿美元,希望推进第四代核能的发展。

尽管有盖茨保证,但至今为止,TerraPower的研究成果仍然遭遇着业内及包括《纽约时报》在内的媒体的广泛质疑。《纽约时报》甚至有些戏谑地调侃TerraPower正在进行一项“永无止境”的项目。

但TerraPower目前已从理论上找到了实现核废料发电的答案:

在一般的核反应过程中,铀235的使用量在3%至5%之间,而在燃烧浓缩的进程中,铀238作为一种纯的核废料会相应产生。它在反应堆中的一部分会逐渐转化为钚,用以作为辅助燃料。但由于用量不大,绝大多数的钚不会被燃烧,最终成为废料。

为了避免钚被剩下,TerraPower设计了一种新型反应堆:铀238的使用比例几乎被提升到100%,仅使用极少量的铀235,这样就可以将更多的铀238转化为钚,然后作为燃料使用。根据TerraPower的说法,这种方式可以被抽象地理解为“引燃一根木炭仅需要比以往少得多的打火机油”。

使用核废料发电的最大好处便是减少全球范围的碳排放。这也是盖茨施行这个项目的初衷,他在2010年时曾提出,要到2050年实现全球碳的零排放。尽管风能、太阳能等新能源的使用同样可以在一定程度上使碳排放问题得到减缓,但从持久性、规模性和稳定程度等方面看来,核废料可能是更为可靠的新能源。

“气候变坏意味着贫困地区的人们将会多年遭受农作物生长问题的困扰,因为没有足够的降雨量,而气温又在持续上升。”盖茨曾在2010年的TED大会上说。他相信解决能源问题,是改善气候、环境,甚至贫穷的极其重要的手段。

福岛核电站怎么就攒下了上百万吨核污水

除了核废料之外,正常运行的核电站,也在向海洋中持续排放核污水这种“核污水”的正式名称叫做“液态流出物”,不仅有浓度要求,还有总量要求。

放射性水平多高的水才称为核污水呢?并没有一个确切的标准,但对于核电厂排放的放射性流出物,有相应的要求,例如GB6249《核动力厂环境辐射防护规定》给出了3000MW热功率核电厂的液态流出物控制值:滨海厂址除氚和碳14外,放射性核素浓度不超过1000 Bq/L,内陆厂址为100 Bq/L,并保证下游1公里处受纳水体总β放射性不超过1 Bq/L,氚浓度不超过100 Bq/L。

但2011年的“3·11”事故中,海啸使大量海水涌进了福岛核电厂,而为了应对事故,技术人员向已经损坏的堆芯注入海水和淡水用于冷却,这些水都沾染了放射性,主要包括氚、铯134、铯137、碘129、锶90、钴60等。而情况逐渐稳定后,地下水和地表降水又持续进入厂区,遭受污染而成为核污水。

在2014年,污水增加速度达到每天540吨,在有关管理机构采取了建设地下水旁流系统、防渗墙、地表硬化层等措施,并在先进液体处理系统建成后改用净化水冷却堆芯后,污水增加速度目前已降低至每天140吨,并有望在2025年降至每天100吨。

随着污水量的持续增加,东电在厂区建立了1044个污水储罐(截止2020年9月),储存污水量高达123万立方米。但污水储罐的建设于2020年底结束,总储水能力最高将达到137万立方米。

显然,剩余空间不多了,如果不排放,到2022年污水将会灌满所有储罐。这些接触过泄漏的堆芯放射性物质的污水,如果不加处理,放射性是非常高的。

因此东电建设了ALPS先进液体处理系统,采用吸附、脱盐等工艺,去掉除了氚以外的放射性核素,如铯137、锶90等。后来,为了要排放,又建立了二次净化处理系统,根据东电提供的数据,在经过两次净化后,铯137浓度降至0.185 Bq/L,锶90浓度降至0.0357 Bq/L。但对于氚,目前没有太好的办法,处理后的氚浓度仍高达730000 Bq/L。

核污水除了排入大海,还有哪些处理方案?

既然装污水的储罐就要爆满了,120多万吨的所谓“处理水”总要有个去处,说到底就是要排放,只是往哪里排放的问题。

东电曾提出五种处理方案:增加储罐及容量、在其它地方设置储罐、固化后进入地下、处理后排入大海、以水蒸汽形式排入大气。后来,解决方案集中到两个:排入大海和排入大气。

福岛厂区的储存能力已近极限,再增加储罐难度太大,而若要在异地新建储罐,估计不会有哪个地方会接纳这种烫手山芋。至于埋入地下,且不论成本如何,也很难保证不泄漏。而剩下的向大海或大气排放的方案,无论哪一种,都在挑战着公众的神经。

排入大海的方案显示,所有污水都会经过两次处理,参考前面所列数据,除了氚以外的放射性核素浓度将基本被去除,比较容易到达排放标准。而将其与大量未污染的水混合稀释后,可将氚浓度降到1500 Bq/L,然后用大约30年的时间排放完毕。

根据这些数据,我们可以做出简略计算,如果核污水保持每天100吨的增量,并按照氚含量730000 Bq/L,同时忽略氚的衰变的话,每年排放的氚总量是5.66×10^13 Bq,低于GB6249中的年排放量控制值7.5×10^13 Bq。实际上氚的半衰期是12.3年,会不断衰变,所以实际的氚排放量会更低一些。

而在排入大海之后,由于海水的量特别巨大,放射性核素会被很快稀释,根据东电的计算机模拟,在氚的年排放量达到10×10^13 Bq时,福岛周边除了长约30公里的近岸海域(离岸2公里内)外,其它区域的氚浓度仍低于1 Bq/L。

而向大气排放的方案也大同小异,只是会将处理后的水加热蒸发,使水蒸气中的氚不超过5 Bq/L,然后排出,随风飘散。

显然,排大气并不如排大海方便,而且有一种让人直接呼吸放射性空气的恐惧感。因此,东电主推的就是排大海方案。要说日本人的公关能力还是很一流的,在几年之前就在不断透出要将污水排海的风,不停地试探公众的接受程度,虽然每年都会招骂,但狼来了的次数一多,慢慢地人们就习惯了。

福岛核污水的排放对健康有影响吗?

百万吨核污水在经过处理后,排入太平洋已经不可避免。老百姓关心的,是它会不会对自己的健康造成影响,下面咱们就来分析一下。

不管怎么说,福岛核污水的排放还是会导致大量放射性物质进入海洋,大家的恐慌是可以理解的。

先插一嘴:下图无法证明福岛核事故对海洋的核污染有多厉害,因为这张图出自美国国家海洋和大气管理局之手,是3·11大地震造成的海啸浪高图,不是放射性污染。

实际上,由于海洋实在太大,海水的量实在太多,稀释能力超强,福岛事故导致的海洋放射性升高幅度非常有限,尤其是由于洋流方向的原因,对于我国的影响更小,仅仅是在海产品中检出了微量的铯134等特征核素,理论上食用起来不会影响健康。

当然,这些核污水对福岛周边海域的影响还是比较大的。不过需要指出的是,其实海水正常情况下的放射性活度就超过10 Bq/L,因此福岛核污水即使总量超过百万吨,如果能按照计划有序地排放,对周边国家的影响是相当有限的,不至于造成什么危害。

至于难以清除的氚,的确很让人头疼。氚进入人体后,有一部分会进入组织,并滞留比较长的时间,但氚的放射性对人体到底会有多大伤害,目前并没有定论,更没有一个统一的限值标准,欧盟饮用水标准规定氚的限值为100 Bq/L,与我国对内陆核电厂址下游1公里处的标准相同,而世卫组织更夸张,认为饮用水氚活度指导值是不超过10000 Bq/L。即使按照100 Bq/L的较严格标准,当福岛污水排放时,除了距离排放口极近的区域之外,其它地方的氚活度也不可能达到有害程度。

因此,只要不在福岛周边几十公里内,无论是人类还是鱼,都不会遭殃。而关于鱼类体内是否会富集这些核污染物的问题,海生物体内的放射性浓度确实比海水要高一些,但是海洋中的放射性一直都存在,福岛污水排放理论上既然不会让远离福岛海域的总体放射性水平升高,也就不会对鱼类体内的放射性水平产生显著影响。

因此,如果“核污水”数据正如东电披露的那样,那么我们不需要抢盐、也不需要对海鲜安全过于担心(当然福岛核电厂附近的海鲜还是不要吃了,安全第一)。

然而,这一结论的前提是东京电力公司没有撒谎,污水确实处理合格,并按照既定标准来排放;鉴于东电之前有瞒报虚报事故严重性的前科,可信度存疑,所以我们在保持淡定之余,依旧需要有必要的警惕。

本文作者:经纬创投,来源:经纬创投

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11 条评论
Zxh
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过滤后给本国人喝

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MobileUser2317
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有个疑问是,地震不是就2011年的事吗?为什么之后每年还会继续产生大量核污水呢? ps:任何说排放问题不大的自媒体,污染后的水和鱼请你们先尝为敬。

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IU
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奸义伟喝了呗

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MobileUser7059
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结尾有反转

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路人
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核电站行业受益,其余人买单。

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