放射性废物管理/简介
放射性废物是指含有放射性衰变物质的废弃物。它通常是核裂变等核过程的产物，尽管与核能|核能工业无关的行业也可能产生放射性废物。
放射性会随着时间的推移而衰减，因此原则上废物需要隔离一段时间，直到它不再构成危害。对于一些常见的医疗或工业放射性废物来说，这可能意味着几个小时到几年，而对于高放射性废物来说，则需要数千年。来自核电站和核武器再处理的高放射性废物。
大多数放射性废物是“低放射性废物”，这意味着它每单位质量或体积的放射性水平很低。
迄今为止，管理放射性废物的主要方法是：将短寿命废物进行分离和储存，将低放射性和一些中放射性废物进行近地表处置，将长寿命高放射性废物进行深埋或嬗变。
大多数发达国家的放射性废物数量和管理方法的总结定期公布和审查，作为国际原子能机构（IAEA）《乏燃料管理和放射性废物管理安全联合公约》的一部分。[1]
放射性废物是核材料在发电、疾病诊断和治疗以及其他用途中的使用后遗留下的残留物。
这些材料要么是天然存在的，要么是人造的。某些种类的放射性材料及其使用产生的废物受联邦政府或各州的监管控制。
美国能源部 (DOE) 负责与核武器生产和某些研究活动相关的放射性废物。核监管委员会 (NRC) 和一些州监管与发电和其他非军事用途的核材料相关的商业放射性废物。
其他一些联邦机构，如环境保护局、交通部和卫生与公众服务部，也在放射性材料的监管中发挥作用。
NRC 监管由 NRC 许可的活动产生的放射性废物的管理、储存和处置。该机构已与 32 个州签订了协议，称为“协议州”，允许这些州监管某些核废物的管理、储存和处置。
由 NRC 或协议州监管并成为本手册主题的商业放射性废物主要有三种类型：高放射性废物、矿渣和低放射性废物。
高放射性废物是指“照射”或使用过的核反应堆燃料（即用于反应堆发电的燃料）。使用过的反应堆燃料为固体形式，由长金属管中的小型燃料颗粒组成。
矿渣废物是指从天然矿石中提取铀和钍后剩余的残渣。商业放射性废物中不属于高放射性废物或铀和钍矿渣废物的被归类为低放射性废物。低放射性废物可能包括受放射性污染的防护服、工具、过滤器、抹布、医疗管和其他许多物品。
鼓励 NRC 许可持有人管理其活动，以限制其产生的放射性废物量。技术包括防止放射性污染扩散，对物品进行调查以确保其具有放射性，然后再将其放入放射性废物容器中，小心避免将受污染的废物与其他垃圾混合，使用放射性迅速衰减的放射性材料，并将放射性材料的使用量限制在实现目标所需的最低限度。
许可持有人采取措施，在放射性废物产生后减少其体积。常见的方法是压实和焚烧。大约 59 个 NRC 许可持有人被授权焚烧某些低放射性废物，尽管大多数焚烧是由少数几家商业焚烧炉进行的。
核废物的放射性会随着时间的推移而降低，通过称为放射性衰变的过程。（“放射性”是指不稳定原子核的自发崩解，通常伴随着电离辐射的释放。）使放射性物质的放射性降低到原始量的一半所需的时间称为放射性物质的放射性半衰期。半衰期短的放射性废物通常在处置之前进行暂时储存，以减少处理和运输废物的工人的潜在辐射剂量，以及减少处置地点的辐射水平。
此外，NRC 授权一些许可持有人储存半衰期短的材料，直到放射性与环境辐射水平无法区分，然后将其作为非放射性废物处置。
目前，美国还没有高放射性核废物的永久处置设施；因此，商业高放射性废物（乏燃料）处于临时储存状态，主要在核电站。
大多数铀矿渣是在原地或矿山附近进行处置的，在矿渣堆顶部建造一层粘土等材料作为屏障，以防止氡气逸入大气，并在矿渣堆顶部覆盖土壤、岩石或其他材料以防止侵蚀。
对于低放射性废物，有三个商业陆地处置设施可供使用，但它们只接受来自某些州的废物，或者只接受有限类型的低放射性废物。其余低放射性废物主要存储在产生废物的场所，例如医院、研究设施、诊所和核电站。
放射性废物的性质和重要性
[edit | edit source]放射性废物通常包含许多放射性同位素：元素的不稳定构型，它们发生放射性衰变，释放出电离辐射，对人类和环境有害。这些同位素会释放出不同类型和强度的辐射，这些辐射会持续不同的时间。
物理学
[edit | edit source]所有核废物的放射性都随着时间的推移而降低。所有包含在废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时间——最终所有放射性废物都会衰变成非放射性元素。某些放射性元素（如钚-239）在“乏”燃料中将对人类和其他生物构成数十万年的危害。其他放射性同位素会造成数百万年的危害。因此，这些废物必须屏蔽数百年，并与生命环境隔离数千年。一些元素，如碘-131，半衰期很短（在本例中约为 8 天），因此它们将比其他更长寿命的衰变产物更快地不再构成问题，但它们最初的活性要高得多。这两张表格显示了一些主要的放射性同位素、它们的半衰期及其辐射产率占铀-235裂变产率的比例。
放射性同位素衰变速度越快，其放射性就越强。纯放射性物质释放的电离辐射的能量和类型是决定其危险程度的重要因素。放射性化学元素|元素的化学性质将决定该物质的迁移能力及其扩散到环境并污染人类的可能性。更复杂的是，许多放射性同位素不会立即衰变成稳定的状态，而是衰变成放射性衰变产物，从而形成衰变链。
废物来源
[edit | edit source]放射性废物来自多个来源。大多数废物来自核燃料循环和核武器再处理。然而，其他来源包括医疗和工业废物，以及天然放射性物质 (NORM)，这些物质可以通过处理或消耗煤炭、石油和天然气以及某些矿物而浓缩，如下所述。
核燃料循环
[edit | edit source]前端
[edit | edit source]核燃料循环前端的废物通常是来自铀提取的α射线废物。它通常含有镭及其衰变产物。
来自采矿的二氧化铀 (UO2) 浓缩物放射性并不高——仅比建筑中使用的花岗岩放射性高几千倍。它从黄饼 (U3O8) 中提炼出来，然后转化为六氟化铀气体 (UF6)。作为气体，它会进行铀富集|富集，以将铀-235|U-235 的含量从 0.7% 提高到大约 4.4%（LEU）。然后将其转化为硬陶瓷氧化物 (UO2)，用于组装为反应堆燃料元件。
浓缩铀的主要副产品是贫铀（DU），主要是铀-238|U-238同位素，其中U-235含量约为0.3%。它被储存为UF6或U3O8。其中一些用于其密度极高使其具有价值的应用，例如游艇的龙骨和反坦克KE穿甲弹|弹。它也与钚一起用于制造混合氧化物燃料（MOX）和稀释或浓缩铀，从武器库存中提取的高浓缩铀现在正被重新用于制造反应堆燃料。
核燃料循环的后端，主要是用过的燃料棒，包含发射β和γ射线的裂变产物，以及发射α粒子的锕系元素，例如铀-234、镎-237、钚-238和镅-241，有时甚至还包含一些中子发射体，例如锎（Cf）。这些同位素是在核反应堆中形成的。
重要的是要区分铀的加工以制造燃料与用过的燃料的核再处理。用过的燃料包含裂变的高度放射性产物（见下文的高放废物）。其中许多是中子吸收剂，在这种情况下称为中子毒物。它们最终会积累到一定程度，以至于它们吸收了如此多的中子，以至于即使控制棒完全移除，链式反应也会停止。在那时，燃料必须在反应堆中用新鲜燃料替换，即使仍然存在大量的铀-235和钚。在美国，这种用过的燃料被储存起来，而在俄罗斯、英国、法国、日本和印度等国家，燃料被再处理以去除裂变产物，然后燃料可以重新使用。这种再处理涉及处理高度放射性物质，从燃料中去除的裂变产物是高放废物的浓缩形式，与处理过程中使用的化学物质一样。虽然这些国家对燃料进行再处理，执行单一的钚循环，但印度是唯一一个已知正在计划多重钚再循环方案的国家。
设计完整的乏核燃料（SNF）废物管理计划时，燃料循环后端的长寿命放射性废物尤为重要。当考虑长期放射性衰变时，SNF中的锕系元素由于其长半衰期而具有重大影响。根据核反应堆的燃料类型，SNF中的锕系元素组成会有所不同。
这种效应的一个例子是使用含钍的核燃料。Th-232是一种可育物质，可以发生中子俘获反应和两次β负衰变，从而产生可裂变的U-233。含钍循环的SNF将包含U-233，其半衰期为159,000年。它的放射性衰变将强烈影响SNF在大约100万年时的长期放射性衰变|活性曲线。右上角的图中可以看到三种不同SNF类型中与U-233相关的活性比较。
这些燃烧后的燃料是含反应堆级钚（RGPu）的钍、含武器级钚（WGPu）的钍和MOX燃料（MOX）。对于RGPu和WGPu，可以观察到初始的U-233量及其在大约100万年时的衰变。这会影响三种燃料类型的总活性曲线。MOX燃料中没有U-233及其子产物导致右下角图中区域3的活性较低，而对于RGPu和WGPu，由于存在未完全衰变的U-233，曲线保持较高。
在核反应堆中使用不同的燃料会导致SNF组成不同，活性曲线也不同。
由于历史上与镭工业、铀矿开采和军事计划相关的活动，有许多场所含有或被放射性物质污染。仅在美国，美国能源部|能源部就表示，那里有“数百万加仑的放射性废物”以及“数千吨的乏核燃料和材料”，以及“大量的受污染土壤和水”。尽管存在大量废物，但美国能源部已宣布一项目标，即在2025年之前成功清理所有目前受污染的场所。例如，俄亥俄州费纳尔德的遗址有“3100万磅铀产品”、“25亿磅废物”、“275万立方码的受污染土壤和碎片”，以及“223英亩的地下大迈阿密含水层中的铀含量超过饮用水标准”。
美国至少有108个地点被指定为受污染且无法使用的地点，有时面积高达数千英亩。美国能源部希望在2025年前清理或减轻许多或所有地点的污染，但任务可能很困难，并且美国能源部承认，有些地点可能永远无法完全修复。例如，在这108个较大型地点中，橡树岭国家实验室在三个细分区域中的一个至少有“167个已知的污染物释放地点”。美国的一些地点规模较小，但清理问题更容易解决，美国能源部已成功完成了几处地点的清理或至少是关闭工作。
放射性医疗废物往往含有β粒子发射体和γ射线发射体。它可以分为两大类。在诊断核医学中，使用许多短寿命的γ发射体，例如锝-99m。其中许多可以在作为普通废物处理之前先静置一段时间使其衰变。医学中使用的其他同位素（括号内为半衰期）包括
- 钇|Y-90，用于治疗淋巴瘤（2.7天）
- 放射性碘|I-131，用于甲状腺功能测试和治疗甲状腺癌（8.0天）
- 锶|Sr-89，用于治疗骨癌，静脉注射（52天）
- 铱|Ir-192，用于近距离放射治疗（74天）
- 钴|Co-60，用于近距离放射治疗和外部放射治疗（5.3年）
- Cs-137，用于近距离放射治疗、外部放射治疗（30年）
工业来源的废物可能含有α衰变、β衰变、中子发射或γ发射体。γ发射体用于射线照相，而中子发射源用于一系列应用，例如油井测井。
处理含有“天然”放射性物质的物质通常被称为NORM。这类废物中很大一部分是来自铀和钍衰变链的α粒子发射物质。人体中辐射的主要来源是钾-40（钾-40|40）。大多数岩石由于其成分，都具有一定程度的放射性，但含量较低。
煤炭中含有少量放射性铀、钡、钍和钾，但对于纯煤来说，这远低于地壳中这些元素的平均浓度。如果周围的地层是页岩或泥岩，则往往含有高于平均水平的放射性物质，这也会反映在“脏”煤的灰分含量中。活性更高的灰分矿物质会在飞灰中富集，正是因为它们燃烧不充分。飞灰的放射性与黑色页岩相当，低于磷酸盐岩，但更令人担忧的是，少量的飞灰会进入大气层，在那里会被吸入。