放射性废物玻璃固化

**放射性廢料**是指含有放射性物質的廢料，一般在如核分裂一類的核反應中產生。事實上，一些與核工業沒有直接關聯的產業在生產過程中也會排放出一定量的放射性廢料。放射性廢料通常按其放射線量的強弱以及核種半衰期的長短來分類，各國有不同的分類方式。常見的類別有 HLW、LLW、ILW、TRUW 等等。其中放射線量大、大量衰變熱，而且半衰期長的核廢料會列為高階核廢料，此外，核廢料可以提煉，再做細分類仍可回收使用，例如一些核廢料能用於製造放射性同位素熱電機的燃料，具有極高價值。

一般來說，物質的放射性會隨時間的推移而減弱，所以原則上所有放射性廢料都可以與外界隔絕一段時間，達到使其不再能引起危害的目的。醫用放射性物質或工業放射性物質的封存時間一般為數小時至數年就會衰變完畢，而無用處的核廢料則需要封藏上千年，故放射性核廢料的處置就是地質處置。其他處置方式，有些不是技術上可實現的（例如：將核廢料轉化為非放射性物質），有些不環保（例如：放到海底，或南北極冰蓋中處置），有些太危險而無法實施（例如：發射火箭把核廢料送到太空）。至於像車諾比核電廠、福島第一核電廠的廢棄爐心，當前無法地質處置，那會想辦法遮蔽封裝起來。

作為聯合國國際原子能機構的《用過燃料管理安全和放射性廢料管理安全聯合公約》章程的一部分，簽署協議的大部分已開發國家放射性核廢料的儲量及處理辦法的概要會定期地公布並被進行評審。

## 基本性質

放射性廢料都含有放射性同位素 —— 一類因原子核的不穩定而容易發生衰變的元素，它們以不同形式、不同強弱進行持續時間長短不同的衰變。衰變中產生的電離放射線不論對人類生命健康還是對自然環境都會造成一定傷害。

### 物理性質

放射性廢料中的所有放射性同位素都有各自的半衰期（使自身的一半衰變為其他物質所需要的時間），最終放射性廢料會衰變成完全不具放射性的物質。某些用過燃料中的放射性元素（如鈽 - 239）在自然放置上千年後對人類及其他生命仍然有害，另外，甚至還存在上百萬年都不能衰變完全的同位素。因此，這些廢料必須被封存幾個世紀並與自然環境隔離更長時間。某些元素具有較短的半衰期（如碘 - 131 的半衰期約為 8 天），所以相對於其他放射性元素而言，它們造成的危害較小，不過它們在衰變初期由於衰變急劇，其實更加活躍、危險。右側的兩張表給出了幾種主要的放射性同位素的資料，包含它們各自的半衰期和它們作為鈾 - 235 的分裂產物的分裂產物產量。

一種同位素衰變得越快，它的放射性越強。某種純的放射性物質的危險程度是由它衰變產生的放射線種類與能量等重要因素界定的，而這種物質的活潑性、擴散入環境及被生物吸收的難易程度則由它的化學性質決定。對於許多不能很快衰變至較穩定的狀態，而是繼續產生放射性衰變產物或引起衰變鏈的放射性同位素，它們和自身的衰變產物的性質和影響更加複雜。

### 藥代動力學性質

暴露在高強度的放射性廢料的放射線中可能會導致嚴重損傷，甚至死亡。對成熟的動物進行輻照或其他能導致變異的處理（如化學療法中的細胞毒類腫瘤藥物治療，該藥物本身也是致癌物），可能導致該生物體患上癌症。經計算，5 西弗的放射線劑量對於人類已是致命。另外，一劑 0.1 西弗的放射線令人死亡的概率是 8‰，該概率隨單劑劑量每增加 0.1 西弗增加一倍。 電離放射線可能導致染色體片段的缺失。 如果一個發育中的有機體（如未出生的嬰兒）接受了放射線，可能會導致先天性畸形等先天性疾病，不過這些缺陷卻不會出現在同樣接受了輻照形成的配子或由配子融合形成的細胞中。由於人們對放射線誘變的機理尚不明確、不能以人類意志控制人工誘變的結果，所以由放射線導致的突變對人類的影響仍是不定向的（即不能預期它對人類的影響是利是弊）。

暴露在放射性同位素的放射線中的危險性取決於該放射性同位素的衰變形式及該放射性同位素所屬元素的藥物動力學性質（即該元素的代謝方式與代謝速度）。例如，雖然碘 - 131 是一種短壽命、並以 β、γ 兩種形式衰變的放射性同位素，但它卻因為會在甲狀腺中聚集而對生命體造成比一般以水溶性化合物形式存在的銫 - 137 更大的傷害（能溶解在水中的物質更易隨尿液排出）。同樣地，主要以 α 衰變的錒系元素（如鐳、鈾等），由於它們一般具有較長的生理學半衰期與較高的線性能量轉移值，所以也被認為對生命體有較大危害。因為在上述幾個方面的不同，放射性同位素能造成的生理學損傷較難簡單判斷。

## 來源

放射性廢料的來源有很多種，其中最主要的包括核燃料循環及核武器的再加工。其他來源包括醫用放射性物質、工業放射性物質及在加工、使用一些化石燃料（如煤、石油和天然氣）或其他礦物的過程中濃縮的技術增強天然放射性物質（Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Materials, TENORM）。

### 首端

核燃料循環首端產生的放射性核廢料一般為以 α 衰變的鈾的萃取物。這些物質中常常含有鐳以及鐳的衰變產物。

在鈾礦中採集的二氧化鈾（UO2）的放射性其實並不十分強 —— 大約只是建築中使用的花崗岩的放射性強度的幾千倍。人們將這些鈾的氧化物精煉得到八氧化三鈾（U3O8），再轉化成六氟化鈾（UF6）氣體。經過濃縮，鈾 - 235 的含量可由原來的 0.7% 提升至 4.4%（低濃縮鈾，LEU）。最後，經過一系列的反應，六氟化鈾還原成質地堅硬的陶狀氧化物作為核子反應爐中的核燃料。

在濃縮鈾的過程中，主要的副產物是耗乏鈾（depleted uranium，DU），其主要含有鈾 - 238 同位素，而鈾 - 235 的含量只占 3‰。多餘的六氟化鈾及八氧化三鈾都會被封存起來。部分因其具有很大的密度而在一些特殊的領域有較高的應用價值如反坦克武器的炮彈。它也常與回收後得到的鈽一起用於製造混合氧化物燃料（mixed oxide fuel，MOX），並以其「稀釋」儲存在核武器中的需要由武器級核燃料轉變為工業級核燃料的高濃縮鈾（HEU）。這一稀釋的過程也被稱作濃縮鈾稀釋，這也意味著任何已獲得成品核燃料的國家或組織需要反演該武器裝配前的十分複雜、昂貴的濃縮過程。

### 末端

核燃料循環的末端的用過燃料棒主要含有以 β 衰變或 γ 衰變的分裂產物、α 衰變的錒系元素（如鈾 - 234、錼 - 237、鈽 - 238 和鋂 - 241），有時還含有放射線中子的放射性同位素（如鉲）。這些同位素都是在核子反應爐中產生的。

明確從已被利用過的核燃料的後處理中重新獲得核燃料的過程是十分重要的。現在人們所使用的核燃料含有高放射性分裂產物，其中大部分是良好的中子吸收劑，專業上也被稱為「中子毒物」。由於它們不斷吸收中子，最終達到「飽和」導致鏈式反應停止 —— 甚至連從爐心中取走用於抑制反應的控制棒也不能使反應繼續的程度。這樣的核燃料被視為「已經用盡」，雖然其中仍含有大量的鈾 - 235 和鈽，但還是需要用新的核燃料來取代它們。在美國、德國和中國，這些已被利用過的核燃料主要被以不同方式貯存起來；而在俄羅斯、英國、法國、日本和印度等國，它們經過後處理除去其中的穩定分裂產物後得到再利用。俄羅斯等國對利用過的核燃料的處理過程中包含對高放射性材料的處理，從中獲得的分裂產物是濃縮的高級廢料形式存在的。這些國家都以鈽單循環的形式進行核燃料後處理，印度是世界上已知的唯一一個致力於鈽複合回收計劃的國家。鈽回收有兩個顯著的好處：經過後處理的核燃料變得不能再被利用於核武器的製造，但作為工業核燃料，它的利用效率可以很高。印度的鈽反應爐以實現接近典型商業核子反應爐的 4 倍的燃燒效率。

#### 與化石燃料的比較

有主張認為，核能在任一方面的污染都遠不及化石燃料的燃燒所造成的嚴重。2004 年，英國廣播公司（BBC）的一篇報導中提到：「世界衛生組織（WHO）認為每年全世界約有 3 百萬人死於由車輛和工廠排放的廢氣和可吸入顆粒造成的室外空氣污染；此外，每年還有 6 萬人死於固體燃料燃燒引起的室內空氣污染。」 在美國，化石燃料產生的廢物與每年大約兩萬人的死亡有關。一個火力發電站與相同功率的核電廠相比，火力發電站所釋放的放射線強度是核電廠的 10 倍。根據估計，在 1982 年美國的燃煤活動所釋放出的放射線量甚至比三哩島核事故的放射線量高 155 倍。但這些放射線比較均未說明是以安全的非游離放射線還是游離放射線計量，而後者為使用核能的主要疑慮。其他研究也指出，一座 1000 MWe 的火力發電廠每年會不受控制地釋出 5.2 公噸的鈾 — 其中包含 34 公斤具高放射性的鈾 - 235—，和 12.8 公噸的釷；相較之下，一座 1000 MWe 的核電廠每年會產生約 30 公噸的高放射性固態廢棄物。

#### 自然的例子

有一個例子証明了放置大量放射性廢料在地下是安全且可靠的。 在 20 億年前的非洲西部的奧克洛，一個天然，存有大量放射性鈾的鈾礦在地下開始了其衰變過程。這個天然核分裂反應爐持續運作了數百萬年，那些鈾衰變成鈽和其他與現今的高放射性廢物一樣的物質。儘管當時在該地區存有大量的地下水，但這些物質依然不會滲入水中污染環境，並全部衰變成其他非放射性元素。

世界核能協會提供了一個比較不同形式的能源生產造成的死亡數字。在他們的統計數字中，死亡人數是以每千瓦時 / 年所計算出來的。根據在 1970 至 1992 年間的數據顯示，有 885 人的死是和水力發電有關 ; 有 342 人的死是和燃煤發電有關 ; 有 85 人的死是和天然氣發電有關而有 8 人的死則與核能發電有關。

### 核燃料的成分以及長遠的放射性活動

在計劃使用核燃料的同時，我們必須要考慮到如何妥善地處理放射性衰變期長的核廢料，亦即是制訂一套完整的核廢料處理方案。嚴格來說，那些放射性衰變期長的核廢料（高放射性廢料），在制訂核廢料處理方案的過程中佔有一個很重要的地位，是最迫切需要解決的問題。而由不同類型的核燃料所造成的核廢料，其廢料處理方案也會有所不同。

#### 使用釷的核燃料

而其中一個例子是使用釷的核燃料，釷 - 232 會通過吸收慢中子而變成可作核燃料之用的鈾 - 233，所以在分裂的過程中核燃料裏通常都會存有鈾 - 233，而鈾 - 233 的半衰期則有 15.9 萬年。而其放射性衰變將會長期佔有著核燃料的周期（由採礦至衰變完全結束）達 100 萬年之久。而從右上角的曲線圖表可以看出三種不同的核燃料類型裏所含有的鈾 - 233 的放射性活動的比較。

#### 核燃料的活性

而那些核燃料通常被分為三種，它們分別使用反應爐級鈽，與武器級鈽和混合氧化物燃料。而不同的核燃料，具有不同的活性曲線。關於反應爐級鈽和武器級鈽在一百萬年內鈾 - 233 的量可以從右上角的曲線圖表中看出。由此可見，鈾 - 233 的量與三種不同的核燃料類型的放射性活動有著密切的關係。而正因為混合氧化物燃料並不存在鈾 - 233，所以相對地它的活性便會較其他的低。相反，反應爐級鈽和武器級鈽有較高的活性，因為它們含有混合氧化物燃料沒有的鈾 - 233。

### 醫療

醫用放射性物質往往包含能放射 β 粒子及 γ 射線的物質。它們可以被分為兩大部分。在核醫學的診斷中常用到的一些短壽命 γ 射線放射物如鎝 - 99m、鉈 - 201 等，它們的只要在像普通垃圾一樣處理前先放置一段不長的時間已令其衰變至穩定狀態。其他醫療中常用到的放射性同位素（括號內為各自的半衰期）包括：

* 釔 - 90，用於治療淋巴瘤（2.7 天）
* 碘 - 131，用於對甲狀腺進行功能測試、治療甲狀腺癌（8.0 天）
* 鍶 - 89，用於治療骨癌、也用於靜脈注射（52 天）
* 銥 - 192，用於近距離治療（74 天）
* 鈷 - 60，用於近距離放療、體外放射治療（5.3 年）
* 銫 - 137，用於近距離放療、體外放療（30 年）

### 工業

來源於工業的廢料可能包含能放射 α 粒子、β 粒子、中子或 γ 射線的物質。**γ** 射線放射物主要用於造影，而中子放射物的用途則很廣泛：例如石油測井。

### 技術增強天然放射性物質（Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Materials, TENORM）

「天然」具有放射性的物質稱作「NORM」(Naturally Occurring Radioactive Materials)。這是天然物質不是廢料。像人體放射性的來源則為鉀 - 40（40K），但人類體內的鉀 40 並不是核廢料，也不需要處理。而經由開採、提煉、使用、處理、儲存等人為方式，增加原有放射性活度濃度或放射線劑量之天然放射性物質。因為人為濃縮增強了放射性同位素濃度，就被一些人認為是一種核廢料，稱為「TENORM」（Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Materials, 技術增強天然放射性物質）。像濃縮後的鈾燃料，事業廢棄物中含放射性☢️的礦渣、煤灰等，即屬於 TENORM 的一種。

#### 煤炭的放射性

煤炭含有少量的放射性鈾，鋇，釷和鉀，純煤比起那些放射性物質在地殼中的分佈量更低。純煤是 NORM，並不是核廢料。與純煤相比，一些碳化程度低的煤（「髒」煤），如泥炭和褐煤擁有更高含量的放射性物質（雜質），而這些雜質會在煤燃燒時以懸浮物的型態釋放至大氣。. 正因為 ' 髒' 煤的灰分（不能燃燒的部分）含量高，以致它們在燃燒時會釋放出活躍的有害物質。而「髒」煤灰的放射性則與焦煤相等但比磷灰石低，但更令人關注的是煤燼所造成空氣污染。

#### 煤灰的放射性

經過燃燒，大部分的碳、氫、氧都轉為二氧化碳與水蒸氣釋放到大氣，但是原本少量的放射性鈾，鋇，釷和鉀如果留在煤灰，濃度變大，就等於技術增強了放射性，也就是 TENORM。

#### 石油和天然氣的放射性

石油和天然氣含有少量的放射性元素，是 NORM，並不是核廢料。

#### 油井汙泥的放射性

石油和天然氣處理工廠所排放出的廢料普遍都含有鐳及其同位素，從油井中抽取出來的硫酸鹽化合物裏富含鐳，而井裏的水，石油和天然氣則富含氡。當這些氡衰變後便形成其他固態放射性同位素並在鑽油管道內形成一層覆蓋物。在石油處理廠裏的丙烷生產區最容易受放射性污染，因為氡和丙烷處於同一個分餾層。經由人工開採、提煉、使用、處理，汙泥中放射性同位素的濃度提高，就被視為 TENORM。

## 處理放射性廢料

低放射性廢料要監測 300 年才可以確定其安全穩定性，可是有些核廢料是屬於高放射性廢料，因為其中有些放射性元素半衰期很長，就算監測 300 年也沒用。以鎝 - 99（半衰期 21.1 萬年）和碘 - 129（半衰期 1,570 萬年）為例，它們需要放置最少 3000 年才能有效地減低其放射性。而比它們更棘手的還有超鈾元素（比鈾重的放射性元素混合物）裏面的錼 - 237（半衰期 214.4 萬年）和鈽 - 239（半衰期 2.41 萬年）。 

要妥善地處理這些核廢料需要到一定程度的技術和嚴密的監控，以隔除這些放射性廢料對生態和人類的威脅。其次就是訂制一個長期，穩定的管理方案包括貯存，處置或者把核廢料轉化成對環境無害的方式棄置 ，而世界各國政府正在考慮一系列的核廢料管理和處置方案，並在長遠的廢物管理方案上取得了一部分的進展。

### 低階核廢料處理作法

裝桶，淺層掩埋。
核電廠的雜物，醫院核子醫學設備產生的廢棄物等等，放射線有限，基本上壓縮後裝桶，就可以隔絕放射線。然後做淺層掩埋或放入隧道，幾百年後放射性就與背景放射線相當了。

### 高階核廢料處理作法

按順序進行廠內水池冷卻，裝桶中期貯存，最終處置深埋。

1. 廠內水池冷卻：核電廠使用後的用過燃料棒，仍然散發高熱，所以會先在核電廠中設置水池冷卻。水池由核電廠供電與注水保持水位與溫度。水池冷卻這階段可能要維持幾年。
2. 裝桶中期貯存：有多種做法 (1) 水池貯存，移到場外另一個水池貯存，繼續冷卻。(2) 廠外乾貯：用過燃料棒經過幾年水池冷卻到一個程度，會裝桶隔絕放射線，移出核電廠，到室外或室內乾貯場，以流通空氣冷卻。乾貯這階段可能要維持幾十年。(3) 再處理後進行乾貯：用過燃料棒送去再處理，再處理產生的核廢料做玻璃化之後，運到乾貯場，以流通空氣冷卻，乾貯數十年到一百年。
3. 最終處置深埋：冷卻到一個程度，即可深埋到地下深處。幾萬年都不用擔心了。有人擔心萬一洩漏之後不僅汙染地下水源更會汙染土地，但是這可以在選址的時候就避開有地下河川的地點。就算有地下河川，地下幾百公尺的水是不會往上流到地面的。

### 低階放射性廢料最終處置前的處理 (可選擇)

可以選擇做額外處理，再進行最終處置。但無法取代最終處置。

1. 壓縮
2. 焚燒
3. 固化

### 高階放射性廢料最終處置前的處理 (可選擇)

用過燃料可以選擇做額外處理，再進行最終處置。但無法取代最終處置。

1. 核廢料玻璃化
這是高階核廢料選擇性的作法，不做也可以，如美國就不做高階核廢料玻璃化。至於低階核廢料因為沒有大量降解熱，並沒有必要這樣做。 如果用過燃料做過再處理，那會產生液態的高階核廢料。要有效地長期儲存放射性廢液便要把它們轉換成一種穩定，長期不會降解（因為降解時會產生大量的崩解熱並使廢液沸騰，產生放射性氣體，增加儲存桶的壓力並發生洩漏。）和發生反應的方式儲存。而將之玻璃化就能做到這一點。 目前塞拉菲爾德已經開始採用這一種方式來儲存放射性廢液，首先把廢液與糖類物質混合後煅燒，而焙燒的目的就是要去除硝酸鹽和蒸發掉多餘的水份，以增加其穩定性。

煅燒後所產生的成品（成品 A）會被引入到一個充滿玻璃碎片的熔爐，之後便把尚未冷卻的液態混合物分批倒入圓形的不銹鋼容器內。當它們冷卻凝固時這些玻璃碎片把成品 A 結晶化成為一種高度防水（這樣就能防止它們滲漏）的放射性玻璃
不銹鋼容器填滿後便會被密封焊接，經過清潔和外部污染檢查後，先進行幾十年的乾貯，之後作深埋。

在不銹鋼容器內的放射性玻璃通常是表面有黑色光澤的物質。在英國，這些放射性玻璃都是通過遠端控制進行試樣製備的。放射性玻璃中的糖是用來控制釕的化學作用和制止它形成含揮發和爆炸性和具有放射性（因含釕 - 106 的 RuO4。在西方國家，那些碎玻璃原料通常是硼矽酸鹽玻璃（類似耐熱玻璃），而前蘇聯通常使用磷酸鹽玻璃。那些在玻璃裏的核廢料的量必須加以限制因為有些金屬例如鈀、碲和鉑系的金屬不能與玻璃結晶化。 德國已經擁有一間正在運作中的核廢料玻璃化工廠，用來重新處理舊有，已被封存的核廢料。 

2. 分離與核嬗變

### 低階放射性廢料的最終處置

近地表處置 (Near Surface Disposal)，有三種類型

1. 壕溝
2. 地上設施
3. 地下設施

### 高階放射性廢料的最終處置

### 放射性廢料的其他處理構想

現在國際上已經不做核廢料海拋。聯合國 1972 年制定《防止傾倒廢棄物污染海洋公約》，通稱「倫敦海拋公約」或「倫敦公約」，禁止將可能危害環境與人類的廢料傾倒在海洋。聯合國在 1996 年並進一步訂定「倫敦海拋公約一九九六年議定書」正面表列，允許七大項物質可從事海拋外，其他廢棄物則不得進行海拋處理。這七大類物質包括：疏浚泥沙、污水下水道污泥、漁產加工廢棄物、船舶或海洋設施、無機之地質材料及天然有機等無害物質及位於離島偏遠地區，無妥適處理方式之大體積物質，但限其主要成分為鐵、鋼、混凝土等無害材料項目。到 2016 年 9 月為止，有 89 國簽署倫敦公約。

## 參考資料

## 延伸閱讀

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## 外部連結

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* International Atomic Energy Agency - Internet Directory of Nuclear Resources (links)
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