放射性廢物管理/簡介
放射性廢物是指含有放射性衰變物質的廢棄物。它通常是核裂變等核過程的產物，儘管與核能|核能工業無關的行業也可能產生放射性廢物。
放射性會隨著時間的推移而衰減，因此原則上廢物需要隔離一段時間，直到它不再構成危害。對於一些常見的醫療或工業放射性廢物來說，這可能意味著幾個小時到幾年，而對於高放射性廢物來說，則需要數千年。來自核電站和核武器再處理的高放射性廢物。
大多數放射性廢物是“低放射性廢物”，這意味著它每單位質量或體積的放射性水平很低。
迄今為止，管理放射性廢物的主要方法是：將短壽命廢物進行分離和儲存，將低放射性和一些中放射性廢物進行近地表處置，將長壽命高放射性廢物進行深埋或嬗變。
大多數發達國家的放射性廢物數量和管理方法的總結定期公佈和審查，作為國際原子能機構（IAEA）《乏燃料管理和放射性廢物管理安全聯合公約》的一部分。[1]
放射性廢物是核材料在發電、疾病診斷和治療以及其他用途中的使用後遺留下的殘留物。
這些材料要麼是天然存在的，要麼是人造的。某些種類的放射性材料及其使用產生的廢物受聯邦政府或各州的監管控制。
美國能源部 (DOE) 負責與核武器生產和某些研究活動相關的放射性廢物。核監管委員會 (NRC) 和一些州監管與發電和其他非軍事用途的核材料相關的商業放射性廢物。
其他一些聯邦機構，如環境保護局、交通部和衛生與公眾服務部，也在放射性材料的監管中發揮作用。
NRC 監管由 NRC 許可的活動產生的放射性廢物的管理、儲存和處置。該機構已與 32 個州簽訂了協議，稱為“協議州”，允許這些州監管某些核廢物的管理、儲存和處置。
由 NRC 或協議州監管併成為本手冊主題的商業放射性廢物主要有三種類型：高放射性廢物、礦渣和低放射性廢物。
高放射性廢物是指“照射”或使用過的核反應堆燃料（即用於反應堆發電的燃料）。使用過的反應堆燃料為固體形式，由長金屬管中的小型燃料顆粒組成。
礦渣廢物是指從天然礦石中提取鈾和釷後剩餘的殘渣。商業放射性廢物中不屬於高放射性廢物或鈾和釷礦渣廢物的被歸類為低放射性廢物。低放射性廢物可能包括受放射性汙染的防護服、工具、過濾器、抹布、醫療管和其他許多物品。
鼓勵 NRC 許可持有人管理其活動，以限制其產生的放射性廢物量。技術包括防止放射性汙染擴散，對物品進行調查以確保其具有放射性，然後再將其放入放射性廢物容器中，小心避免將受汙染的廢物與其他垃圾混合，使用放射性迅速衰減的放射性材料，並將放射性材料的使用量限制在實現目標所需的最低限度。
許可持有人採取措施，在放射性廢物產生後減少其體積。常見的方法是壓實和焚燒。大約 59 個 NRC 許可持有人被授權焚燒某些低放射性廢物，儘管大多數焚燒是由少數幾家商業焚燒爐進行的。
核廢物的放射性會隨著時間的推移而降低，透過稱為放射性衰變的過程。（“放射性”是指不穩定原子核的自發崩解，通常伴隨著電離輻射的釋放。）使放射性物質的放射性降低到原始量的一半所需的時間稱為放射性物質的放射性半衰期。半衰期短的放射性廢物通常在處置之前進行暫時儲存，以減少處理和運輸廢物的工人的潛在輻射劑量，以及減少處置地點的輻射水平。
此外，NRC 授權一些許可持有人儲存半衰期短的材料，直到放射性與環境輻射水平無法區分，然後將其作為非放射性廢物處置。
目前，美國還沒有高放射性核廢物的永久處置設施；因此，商業高放射性廢物（乏燃料）處於臨時儲存狀態，主要在核電站。
大多數鈾礦渣是在原地或礦山附近進行處置的，在礦渣堆頂部建造一層粘土等材料作為屏障，以防止氡氣逸入大氣，並在礦渣堆頂部覆蓋土壤、岩石或其他材料以防止侵蝕。
對於低放射性廢物，有三個商業陸地處置設施可供使用，但它們只接受來自某些州的廢物，或者只接受有限型別的低放射性廢物。其餘低放射性廢物主要儲存在產生廢物的場所，例如醫院、研究設施、診所和核電站。
放射性廢物的性質和重要性
[edit | edit source]放射性廢物通常包含許多放射性同位素：元素的不穩定構型，它們發生放射性衰變，釋放出電離輻射，對人類和環境有害。這些同位素會釋放出不同型別和強度的輻射，這些輻射會持續不同的時間。
物理學
[edit | edit source]所有核廢物的放射性都隨著時間的推移而降低。所有包含在廢物中的放射性同位素都有半衰期——任何放射性核素失去一半放射性所需的時間——最終所有放射性廢物都會衰變成非放射性元素。某些放射性元素（如鈽-239）在“乏”燃料中將對人類和其他生物構成數十萬年的危害。其他放射性同位素會造成數百萬年的危害。因此，這些廢物必須遮蔽數百年，並與生命環境隔離數千年。一些元素，如碘-131，半衰期很短（在本例中約為 8 天），因此它們將比其他更長壽命的衰變產物更快地不再構成問題，但它們最初的活性要高得多。這兩張表格顯示了一些主要的放射性同位素、它們的半衰期及其輻射產率佔鈾-235裂變產率的比例。
放射性同位素衰變速度越快，其放射性就越強。純放射性物質釋放的電離輻射的能量和型別是決定其危險程度的重要因素。放射性化學元素|元素的化學性質將決定該物質的遷移能力及其擴散到環境並汙染人類的可能性。更復雜的是，許多放射性同位素不會立即衰變成穩定的狀態，而是衰變成放射性衰變產物，從而形成衰變鏈。
廢物來源
[edit | edit source]放射性廢物來自多個來源。大多數廢物來自核燃料迴圈和核武器再處理。然而，其他來源包括醫療和工業廢物，以及天然放射性物質 (NORM)，這些物質可以透過處理或消耗煤炭、石油和天然氣以及某些礦物而濃縮，如下所述。
核燃料迴圈
[edit | edit source]前端
[edit | edit source]核燃料迴圈前端的廢物通常是來自鈾提取的α射線廢物。它通常含有鐳及其衰變產物。
來自採礦的二氧化鈾 (UO2) 濃縮物放射性並不高——僅比建築中使用的花崗岩放射性高几千倍。它從黃餅 (U3O8) 中提煉出來，然後轉化為六氟化鈾氣體 (UF6)。作為氣體，它會進行鈾富集|富集，以將鈾-235|U-235 的含量從 0.7% 提高到大約 4.4%（LEU）。然後將其轉化為硬陶瓷氧化物 (UO2)，用於組裝為反應堆燃料元件。
濃縮鈾的主要副產品是貧鈾（DU），主要是鈾-238|U-238同位素，其中U-235含量約為0.3%。它被儲存為UF6或U3O8。其中一些用於其密度極高使其具有價值的應用，例如遊艇的龍骨和反坦克KE穿甲彈|彈。它也與鈽一起用於製造混合氧化物燃料（MOX）和稀釋或濃縮鈾，從武器庫存中提取的高濃縮鈾現在正被重新用於製造反應堆燃料。
核燃料迴圈的後端，主要是用過的燃料棒，包含發射β和γ射線的裂變產物，以及發射α粒子的錒系元素，例如鈾-234、錼-237、鈽-238和鋂-241，有時甚至還包含一些中子發射體，例如鉲（Cf）。這些同位素是在核反應堆中形成的。
重要的是要區分鈾的加工以製造燃料與用過的燃料的核再處理。用過的燃料包含裂變的高度放射性產物（見下文的高放廢物）。其中許多是中子吸收劑，在這種情況下稱為中子毒物。它們最終會積累到一定程度，以至於它們吸收了如此多的中子，以至於即使控制棒完全移除，鏈式反應也會停止。在那時，燃料必須在反應堆中用新鮮燃料替換，即使仍然存在大量的鈾-235和鈽。在美國，這種用過的燃料被儲存起來，而在俄羅斯、英國、法國、日本和印度等國家，燃料被再處理以去除裂變產物，然後燃料可以重新使用。這種再處理涉及處理高度放射性物質，從燃料中去除的裂變產物是高放廢物的濃縮形式，與處理過程中使用的化學物質一樣。雖然這些國家對燃料進行再處理，執行單一的鈽迴圈，但印度是唯一一個已知正在計劃多重鈽再迴圈方案的國家。
設計完整的乏核燃料（SNF）廢物管理計劃時，燃料迴圈後端的長壽命放射性廢物尤為重要。當考慮長期放射性衰變時，SNF中的錒系元素由於其長半衰期而具有重大影響。根據核反應堆的燃料型別，SNF中的錒系元素組成會有所不同。
這種效應的一個例子是使用含釷的核燃料。Th-232是一種可育物質，可以發生中子俘獲反應和兩次β負衰變，從而產生可裂變的U-233。含釷迴圈的SNF將包含U-233，其半衰期為159,000年。它的放射性衰變將強烈影響SNF在大約100萬年時的長期放射性衰變|活性曲線。右上角的圖中可以看到三種不同SNF型別中與U-233相關的活性比較。
這些燃燒後的燃料是含反應堆級鈽（RGPu）的釷、含武器級鈽（WGPu）的釷和MOX燃料（MOX）。對於RGPu和WGPu，可以觀察到初始的U-233量及其在大約100萬年時的衰變。這會影響三種燃料型別的總活性曲線。MOX燃料中沒有U-233及其子產物導致右下角圖中區域3的活性較低，而對於RGPu和WGPu，由於存在未完全衰變的U-233，曲線保持較高。
在核反應堆中使用不同的燃料會導致SNF組成不同，活性曲線也不同。
由於歷史上與鐳工業、鈾礦開採和軍事計劃相關的活動，有許多場所含有或被放射性物質汙染。僅在美國，美國能源部|能源部就表示，那裡有“數百萬加侖的放射性廢物”以及“數千噸的乏核燃料和材料”，以及“大量的受汙染土壤和水”。儘管存在大量廢物，但美國能源部已宣佈一專案標，即在2025年之前成功清理所有目前受汙染的場所。例如，俄亥俄州費納爾德的遺址有“3100萬磅鈾產品”、“25億磅廢物”、“275萬立方碼的受汙染土壤和碎片”，以及“223英畝的地下大邁阿密含水層中的鈾含量超過飲用水標準”。
美國至少有108個地點被指定為受汙染且無法使用的地點，有時面積高達數千英畝。美國能源部希望在2025年前清理或減輕許多或所有地點的汙染，但任務可能很困難，並且美國能源部承認，有些地點可能永遠無法完全修復。例如，在這108個較大型地點中，橡樹嶺國家實驗室在三個細分割槽域中的一個至少有“167個已知的汙染物釋放地點”。美國的一些地點規模較小，但清理問題更容易解決，美國能源部已成功完成了幾處地點的清理或至少是關閉工作。
放射性醫療廢物往往含有β粒子發射體和γ射線發射體。它可以分為兩大類。在診斷核醫學中，使用許多短壽命的γ發射體，例如鎝-99m。其中許多可以在作為普通廢物處理之前先靜置一段時間使其衰變。醫學中使用的其他同位素（括號內為半衰期）包括
- 釔|Y-90，用於治療淋巴瘤（2.7天）
- 放射性碘|I-131，用於甲狀腺功能測試和治療甲狀腺癌（8.0天）
- 鍶|Sr-89，用於治療骨癌，靜脈注射（52天）
- 銥|Ir-192，用於近距離放射治療（74天）
- 鈷|Co-60，用於近距離放射治療和外部放射治療（5.3年）
- Cs-137，用於近距離放射治療、外部放射治療（30年）
工業來源的廢物可能含有α衰變、β衰變、中子發射或γ發射體。γ發射體用於射線照相，而中子發射源用於一系列應用，例如油井測井。
處理含有“天然”放射性物質的物質通常被稱為NORM。這類廢物中很大一部分是來自鈾和釷衰變鏈的α粒子發射物質。人體中輻射的主要來源是鉀-40（鉀-40|40）。大多數岩石由於其成分，都具有一定程度的放射性，但含量較低。
煤炭中含有少量放射性鈾、鋇、釷和鉀，但對於純煤來說，這遠低於地殼中這些元素的平均濃度。如果周圍的地層是頁岩或泥岩，則往往含有高於平均水平的放射性物質，這也會反映在“髒”煤的灰分含量中。活性更高的灰分礦物質會在飛灰中富集，正是因為它們燃燒不充分。飛灰的放射性與黑色頁岩相當，低於磷酸鹽岩，但更令人擔憂的是，少量的飛灰會進入大氣層，在那裡會被吸入。