问题

核废水为什么有氚?

回答
核废水之所以含有氚,这其实是核反应堆正常运行中无法避免的一个副产品。理解这个问题,咱们得先从核反应堆是怎么工作的说起。

核反应堆里发生了什么?

想象一下,核反应堆就像一个巨大的锅炉,但它烧的可不是煤或者天然气,而是利用核分裂产生的巨大能量来烧水、产生蒸汽,然后驱动涡轮机发电。这个“燃料”通常是我们熟知的铀,比如铀235。

当铀235原子核被中子撞击时,它会分裂成两个较小的原子核,同时释放出大量的能量,还会再放出几个中子。这些新的中子又会去撞击其他的铀原子核,这样一来,核分裂反应就能持续进行,就像一连串的连锁反应。

氚:核反应堆的“自带”产物

那氚(Tritium)是怎么来的呢?它其实是在这个核分裂过程中,或者说在反应堆的燃料棒里,由铀原子核分裂产生的一些“碎屑”中,以及一些杂质原子吸收了中子之后,经过一系列核反应产生的。

最主要的来源有两个方面:

1. 核燃料中的锂杂质: 核燃料(通常是二氧化铀)虽然经过高度提纯,但不可能100%纯净。其中总会含有微量的锂元素,尤其是锂6(⁶Li)。当锂6原子核捕获一个快中子时,会发生核反应,产生氚(³H)和一个氦原子核(⁴He)。这个反应是:
⁶Li + n → ³H + ⁴He
这个过程是比较主要的氚产生途径之一。

2. 从铀原子核分裂出的碎片: 在铀原子核分裂成两个较小原子核的过程中,除了我们知道的主要裂变产物外,还会产生一些裂变碎片。这些裂变碎片中,有些经过一系列的衰变,也会转化为氚。

3. 从水中产生(相对较少): 如果反应堆中使用的是轻水(含有氢和氧),在非常高的能量环境下,如果水中的氢原子(¹H)或氘原子(²H)吸收了中子,也有可能转化为氚。但这个途径相对前两种来说,在通常的核反应堆运行中产生的氚量要少得多。

冷却剂和氚

在核电站里,为了控制反应堆的温度,会使用大量的冷却剂。最常见的就是水。当核反应在燃料棒里进行时,产生的高温会传递给冷却剂。而冷却剂在循环的过程中,就会不可避免地接触到燃料棒,所以,其中产生的氚也就混入了冷却剂中。

“核废水”的由来

所谓的“核废水”,其实是指核电站运行过程中产生的一些废水,包括:

冷却水: 即使是看似“干净”的冷却水,在与反应堆内部的组件(包括燃料棒)接触时,也可能因为上述的核反应而带入氚。
设备清洗水: 核电站的各种设备、管道都需要定期清洗和维护,这个过程中产生的清洗水也可能含有氚。
其他过程水: 比如一些用于蒸汽发生器补水的去离子水,如果纯化不彻底,或者在系统中循环时,也可能接触到含氚的区域。

氚的特性

氚是一种氢的同位素,它的原子核由一个质子和两个中子组成。和我们日常知道的氢(一个质子)或氘(一个质子一个中子)不同,氚的原子核比氢重。

氚的特点是:

放射性: 氚是一种放射性核素,但它衰变非常缓慢,半衰期大约是12.3年。它衰变时放出的是β射线,这种射线穿透力非常弱,甚至一张纸就能挡住,在人体外部几乎不会造成伤害。
容易与水结合: 因为它是一种氢的同位素,所以它很容易与氧结合形成“重水”,也就是三氧化二氢(H₂O的另一种形式,这里为了更形象,可以说是³H₂O)。这意味着,一旦氚进入水体,它就会像普通水一样扩散,并可能进入生物体的循环系统。

为什么人们会关注核废水里的氚?

大家之所以对核废水里的氚比较关注,主要还是因为它是一种放射性物质,而且它能与水结合,容易进入环境和生物体。虽然它的放射性强度相对较低,穿透力也弱,但大规模排放到环境中,仍然需要谨慎对待,并要符合严格的排放标准。

总而言之,氚的产生是核反应堆运行中一个内在的、难以完全避免的物理过程,它是核燃料在核分裂过程中,以及与中子等发生核反应的副产物。这些含氚的物质最终会混入到核电站的各种废水中,并在处理后,如果需要排放,都会受到严格的监管和检测,以确保其放射性水平符合国际安全标准。

网友意见

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核电站产氚一部分来自于流经一回路的轻水或重水中的氕、氘被中子辐照产生。

一部分来自于反应堆中其他物质,例如中子吸收剂硼B,经核反应后产生氚。

还有一部分来自堆芯燃料芯块中裂变产物中产生的氚,氚是氢元素,单质氚对于金属有很强渗透性,会渗透锆合金燃料包壳,进入流经一回路的冷却水。

如图↑

当反应堆一回路氚含量升至一定程度时,需要将冷却水适当排出,即形成含氚流出物。

如果反应堆的堆芯发生熔毁,剩余燃料在衰变过程中依然会产生氚,同时由于中子辐照,流经的冷却水也会产生氚。经处理后,形成含氚废水。总的产氚途径与正常运行的反应堆基本一致。

以下文章是大亚湾及岭澳核电站部分反应堆的产氚计算分析与实测值。供参考。

大亚湾和岭澳一期核电站氚年排放量计算分析.pdf
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