日本福岛核废水再次“意外泄漏”，核废水处理为何这么难？
科技日报2021-06-03 17:27
◎ 科技日报记者 马爱平
据海外网6月2日报道，当地时间1日，福岛核电站再次传出“意外泄漏”事件。报道称，东京电力公司的工作人员在进行检测时发现，一个装有核废水的集装箱周围有水积聚，在检测过后，发现该集装箱周围的放射性物质浓度已经远超日本国家饮用水标准76倍。
事实上，这并非福岛核废水的首次泄漏。报道称，3月份，福岛第一核电站内的另一处核废弃物集装箱就曾发生过泄漏事件。
“目前来看，日本核废水中不同放射性核素如何高效率、低成本的分离、回收是他们的痛点和难点，这同时也是一个世界性的、共同的难题与迫切需求。”6月3日，国家核技术工业应用工程技术研究中心副主任、环境友好能源材料国家重点实验室（西南科技大学）环境修复材料国际研究中心主任晏敏皓在接受科技日报采访时表示。
对全球海洋生物圈的影响是不可逆转的
此前，据日本共同社报道，当地时间4月13日，日本政府召开内阁会议，正式决定将福岛第一核电站核废水排入大海。日方表示，经评估，核废水不会对人体健康或环境造成负面影响。
2月13日拍摄的日本福岛第一核电站核污水储水罐。新华社/共同社
“核废水按照放射性水平可分为高、中、低和极低四类。其处理处置采取‘废物最小化’的原则，通常的做法是对其进行减容处理，比如：过滤、吸附、蒸发、电解等。”晏敏皓说。
一般来说，中、低放和极低放水平的放射性废水经处理后，若达到安全排放标准则可解控并排入普通污水处理系统中，若不能达安全排放标准，则多采用水泥固化的方式封存处理后进行地质处置。而高放废液则会考虑通过玻璃固化的方式封存处理后进行深地质处置。
地质处置，顾名思义就是在远离生物圈的地下建立一个可安全长期存放的处置库，让放射性废物缓慢衰变成稳定核素。实际上受限于技术水平、处理能力，经济性等因素，相当一部分核废水被暂存在不锈钢容器中，等到有技术能力或者确实无法继续暂存时再对其进行减容固化处理处置。“这样的处理方式是目前国际公认且较为可行的方案。”晏敏皓说。
据日本方提供的数据，拟排放的废水中含有氚、锶-90、铯-134、铯-137、碘-129、钌-106、钴-60等放射性核素，如果将这些放射性核素排入海洋，它们将在海洋生物体内富集，并通过食物链、洋流等途径传播，据推算，57天内能扩散至太平洋大半区域，10年后将蔓延全球海域，而上述放射性核素中半衰期最短的钴-60需要至少10年才可以衰变75%。
“这将对全球鱼类迁徙、远洋渔业、人类健康、生态安全的带来不可逆转的影响。”晏敏皓说。
“多核素去除装置”无法完全消除核废水的放射性
除了上述“减容固化+深地质处置”的方案之外，还有学者提出通过核反应使其嬗变成短寿命或稳定核素，这种方法的优点是耗时短、废物量小，但在实际情况中嬗变方法无法直接处理富含多种放射性核素的核废料，必须先将废水中的各种放射性核素进行有效分离，再有针对性的进行嬗变。
“核废水中放射性核素的完全分离是目前的世界性难题之一。”晏敏皓说。
根据东京电力公司数据显示，其核废水中有63种放射性核素。日方采用“多核素去除装置（ALPS）”对废水进行处理，据2020年8月数据显示，处理后73%的核废水仍含有超标的放射性元素，还需进行二次处理。
“可见‘多核素去除装置’并非一劳永逸，它无法将核废水处理至豁免水平。”晏敏皓指出。
4月13日拍摄的日本福岛第一核电站。新华社/共同社
放射性核素高效率低成本的分离、回收是痛点和难点
目前核废水处理的核心思路是“废物最小化”，既将核废水通过浓缩和净化处理，让废水的大部分体积净化到安全排放标准后排放，把浓缩后的小体积废物做固化处理后再进行处置。
晏敏皓认为，不同来源的核废水所含核素的种类、数量和形态不同，废水本身的酸碱度、盐离子浓度也不同，所以要有针对性地选择方法处理核废水。
“总的来说有以下五大类方法：沉淀法、吸附法、蒸发浓缩法、膜处理法、萃取法。”晏敏皓指出。
沉淀法和萃取法的由于引入了新的物质，会产生较多的二次废物，减容倍数低，且难以连续运行和自动化操作。蒸发法能耗较高，维护成本高，在环保要求日益严格的趋势下，蒸发法的推广和使用将会受到限制。
膜处理法和吸附法是比较复合环保要求的，吸附法是通过离子交换、鳌合等方式将放射性核素从放射性废水中分离出来，使废水得到净化。而选用的吸附剂多为固体，固液分离方便，工艺流程简单，容易实现自动化连续运行，潜力较大。
“寻求低成本、高安全性、高效率的提取材料与回收技术，将放射性核素从核废水中高性价比、高选择性的回收是日本核废水处理的难点和痛点。特别是日本核废水中含有的放射性氚，氚是氢的同位素，分离难度较大，对处理设备要求高。”晏敏皓说。
日本这次的事故核废水据《读卖日报》统计将按照140吨/天的速率增长，到2022年9月将达到储存罐的上限140万吨。
高选择性离子交换法、萃淋树脂吸附法等广受关注
晏敏皓介绍，在核废水处理技术方面，高选择性离子交换法是目前较为先进的处理技术，利用特效活性基团交换剂、磁性交换剂、两性交换剂、液体交换剂、分子筛交换剂、热再生交换剂和离子交换纤维等材料，有选择性地提取废水中的一些核素，此方法的优点是去污因子高、宽适用范围广。
美国的一些核电站将过滤床模块和离子交换床模块结合起来，采用超细纤维、核孔膜、纳米材料膜等新型过滤材料与超滤分离处理核废水，此种方法净化过的废水可直接排放或再用，减容倍数更大。
此外，还有萃淋树脂吸附法，将具有高选择性的萃取剂挂载到高度稳定的树脂骨架上，得到集高选择性和强稳定性于一身的萃淋树脂。此类材料能应用于极端环境（高酸、高盐、高辐照）中，并选择性吸附关键核素（铯-137、锶-90、铀-235、钚-239、镅-241等），再通过合适的方法将吸附后的核素反萃到单一溶液体系中，实现关键核素的回收利用。
“萃淋树脂一般用于放射性化学分析中，对样品中微量甚至痕量的放射性核素具有良好的检测能力。”晏敏皓说。
晏敏皓介绍，上述先进技术在各涉核单位都有应用，基于萃淋树脂的交换柱动态吸附/净化/回收法由于操作简便，工序流程简化，且具有批量化大规模应用的潜力，广受关注。
来源：科技日报
编辑：张爽
审核：岳靓
终审：何屹
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