近日，日本政府宣布决定将东京电力公司福岛第一核电站上百万吨经处理的核污水（核废水）排入大海，引起了国际社会的持续关注和热议。福岛核事故已过去十余年，其核污水处理问题仍未得到妥善解决。那么什么是核污水？福岛核污水有什么不同之处吗？你对核电了解多少？我们从科学知识角度一起探究。
要想知道什么是核污水，我们先从核电站工作原理说起。
有人把核电站工作原理比喻为“烧开水”，可谓是十分形象了。
图1 核电站原理示意图
从设施结构上来看，核电站的反应堆就相当于火电厂的锅炉，两者都是在这里把水“烧开”；从发电方式上来看，高温蒸汽进入汽轮机内膨胀做功，将蒸汽焓降放出的热能转换成推动汽轮机转子旋转的机械能，从而推动汽轮发电机系统产生电能。这与火电厂通过将可燃物（如煤炭）燃烧后产生的热能转换为电能的方法十分相似。
而两者有着本质区别的地方在于“烧开水”的燃料，核电主要利用核燃料裂变能，火电厂则是利用化学能。核裂变，也称为核分裂，是指由重的原子核（主要是指铀核或钚核）分裂成两个或多个质量较小原子的一种核反应形式。当铀235这种核素的原子核受到外来中子轰击时，一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核，同时放出2-3个中子，这些中子又去轰击另外的铀235原子核，引起新的裂变，如此循环往复，进行的就是裂变的链式反应，链式反应最大的“优势”就是可以产生大量热能；反应堆也是核电站最核心的地方，在这里核裂变反应产生极大热量，能将水“烧开”到300℃以上。而后者顾名思义，则是单纯地利用煤炭或者其他化石燃料燃烧产生的热能。
两者“烧开水”效能差距能有多大呢？一座装机容量100万千瓦的火电站，正常运行每年需要的标准煤约高达300万吨，释放二氧化碳700万吨、氧化亚氮600吨和二氧化硫1.7万吨，煤渣和尘埃中还含有镉、铜、铅、锌等重金属；同样的发电量对于核电站，每年只需要约30吨铀原料，并且不产生温室气体。不难看出，核电站的使用对于人类利用能源而言也是一大进步。《中国核电行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》指出：核电是高效、清洁、安全和经济的能源，具有资源消耗少、环境影响小和供应能力强等许多优点。发展核电是我国社会经济不断发展和人民生活水平不断提高的需要，也是优化我国能源结构、缓解环境污染和保证能源安全的需要。
说好的核能源清洁又安全，那此次闹得沸沸扬扬的核污水又是什么呢？
核污水，经由核电站排放出来其中还带有一定放射性的废水。它从哪里来？我们继续看看核电站工作过程，这通常由三个回路组成。
图2 核电站工作回路示意图
回路一里面的水会直接进入反应堆，为堆芯降温起冷却作用，带走热量的同时自身也成为高温蒸汽，接下来在隔离环境中将热能传递给回路二的水。
回路二里面的水被加热也将产生大量蒸汽，这部分蒸汽便去驱动汽轮机转子，带动与其同轴的发电机产生电能。为了让做完功的蒸汽重新参与进系统循环，就需要将它们降温回归液态。
回路三里面的水就是来完成降温工作的。这部分水通常以海水或者是以湖水为介质（视核电站选址），将回路二里面的蒸汽降温为液态的同时，也为核电站带走了系统所不需要的多余热量。
哪个回路才会产生所谓的核污水呢？
回路二、三里面的水都并没有跟核反应接触，它们排放出来也只是废水，谈不上是核污水；回路一里面的水才会被活化产生放射性，但理论上来说它一直处于循环再利用的工作状态，通常不会被排放。实际情况中，回路一所能容纳的水体积有限，正常功率运行的时候，为了补偿燃耗所产生的反应性变化，是需要调节回路反应原料浓度的，整体过程势必产生无法回收利用的泄漏冷却水、调节压力容器压力的疏排水。此外还有设备冷却用水、设备周期性冲洗水、核燃料取样系统中产生的废水、核燃料储存和运输介质排放的废水等等。简而言之，正常运行中的核电站需排放的核污水，主要来自于回路一及其辅助系统活化的水。
处理这类核污水的基本思路就是利用沉淀法、吸附法、离子交换法等特定技术手段将其中的放射性元素收集、浓缩、固化等，然后将符合国家及国际社会放射性废料排放标准的废液排放。
但福岛核电站于2011年遭遇海啸后受到了严重影响，发生了“堆芯熔毁”，我们说的回路一也被相应地破坏了。此次日本政府决定排放的，是在福岛核电站事故之后，用于冷却核电站所产生的放射性污水，以及被核泄漏污染的地下水。
堆芯熔毁，是指核反应堆因无法及时冷却而熔化造成的损毁。这种状态下所产生的核污水与核电站正常运行中产生的核污水就有了本质区别，这些水是与堆芯直接接触的，反应堆里边所有的放射性元素它都可能带有。
图3 堆芯熔毁示意图
核污水的产生却是没停歇过的：除了冷却水，当核燃料冷停堆以后，大量的核污水主要是由福岛核电站附近的地下水和雨水产生的。靠海的福岛核电站处在低地势的区域，地下水从地势高处顺流而下，靠重力渗透见缝就钻，加之雨水也会时不时地渗入反应堆地下，流经此地就成了带有放射性元素的核污水，这便是福岛核电站核污水储量如此惊人的主要原因。
图4 福岛核污水储存罐
在这些放射性污水中，含量处于最高水平的氚备受关注。氚是氢的同位素之一，它是由海水被高放射性核废料释放出来的中子活化发生核反应产生的。它的物理半衰期为12.3年相对较短，虽然发出来的β射线在人体外照射时产生的影响可以忽略，但却可以经由食物链、呼吸道和皮肤等被生物体吸收摄入，转化为有机结合氚，并通过与体液中的氢互换及新陈代谢作用，会长期滞留体内。届时，氚不仅能通过β粒子的电离辐射产生直接的生物效应，还可通过局部转换突变作用，致使细胞遗传物质发生损伤，如DNA链断裂、基因突变，最终导致生物体组织的畸变和癌变。
图5 “氚”结构示意图
而更糟糕的是，由于反应堆内部的反应物状态未知，废水中的具体成分至今仍无定论。虽然目前人们对放射性污水的关注点主要是氚，但在处理后的污水中还发现存在其他放射性同位素，包括碳14、钴60和锶90等，它们半衰期更长，与海洋生物的亲和力可能更强，对生物的潜在毒性也各不相同。尽管日本的确称已利用多核素去除设备来处理这些核污水中的数种放射性物质，但在成分都未能确切掌握的情况下，人们又如何对它进行有效的净化处理呢？
图6 福岛核污水放射性同位素浓度差异
目前日本方面宣布计划于两年后开始排放核污水入海，直到2041至2051年左右核电站拆除为止，整个过程或将持续30年。日方指望大自然来“海涵”这些成分未知、影响难测的核污水，后果尚无人知晓，但重构生态平衡、重建各国信任，显然需要远长于30年的时间！
参考文献：
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