核废料依照辐射量可分为高、中、低 3 种,虽然各国处理与方法不尽相同,但都会遵照严格程序谨慎处理,避免危及人类和环境,不过现在科学家发现,目前常用的不锈钢密封桶或许不是存放核废料的首选,在材料的交互作用下,不锈钢的降解速度超乎预期。
用过核燃料是指经受过放射线照射、使用过的核燃料,这些燃料无法继续维持核反应,但依然含有大量的放射性元素,因此如何处理核废料皆是各国十分头疼的问题。
用过核燃料刚从反应器退出时,由于含有较高的余热与放射性,故第一阶段先采水池湿式贮存,待冷却一段时间后,第二阶段再移到户外的干式贮存设施继续贮存,以空气自然对流冷却方式排除余热,不需要冷却水循环动力,也可解决燃料池塞不下、避免水侵蚀金属密封等问题,待 40 年后再进入最后阶段,回收处理铀与钚等可利用的物质,或建造最终处置场,永久处置用过核燃料。
其中不管是干式贮存还是最终的再处理、最终处置,为降低户外环境辐射量,不锈钢都是层层防护的重点, 像是干式贮存就有不锈钢密封钢桶(TSC)、钢板与钢筋混凝土制成的混凝土护箱(VCC)、外加屏蔽(AOS)多层防护;再处理过程中,放射性核废料融在固体玻璃、或是陶瓷后,也会装在不銹钢桶内。
只不过最近美国俄亥俄州立大学(Ohio State University,OSU)科学家也发现,看似相当稳定、坚不可摧的不锈钢密封钢桶在某些状况下,好像也不是那么可靠。
根据 OSU 发表在《 Nature Materials》的研究,科学家模拟尚处在停摆状态的美国尤卡山核废料处置库环境,将陶瓷、玻璃紧密贴合不锈钢并浸泡在溶液中 30 天,发现由于化学溶液变化与密闭空间的酸碱变化,以及材料的交互作用,不管是不锈钢与玻璃化核废料的接面,还是不锈钢与陶瓷化核废料的接面,皆有出现局部的腐蚀。
科学家发现,当玻璃和陶瓷置于溶液时,它们会与不銹钢发生交互作用,进而加速腐蚀速度,尤其是玻璃化与陶瓷化的核废料,OSU 材料科学工程的研究助理工程师 Xiaolei Guo 表示,它们反而创造一种具超级腐蚀性的环境,开始破坏周围的材料。
因此不锈钢出现局部且严重的腐蚀,玻璃也有出现裂纹与腐蚀情形,科学家认为,这可能是因为铁与硅的亲和力高,偏偏不锈钢是由铁、镍和铬制成,硅则是玻璃的关键元素。Xiaolei 指出,现有模式或许无法安全地保存核废料,可能还要寻找新的方案。
- Current model for storing nuclear waste is incomplete
- Stainless steel may not be the best choice for storing nuclear waste
- 用过核子燃料干式贮存
(首图来源:OSU)