高放射性核废物玻璃固化体的辐射效应

高放射性核废物玻璃固化体的辐射效应

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摘 要：随着近些年我国对核能产业的大力发展，大量需要与生物圈隔离、进行永久处置的核废物成为我国面临的一大问题。核能产业的乏燃料经过后处理阶段生成的大量高放废液按照规划将被使用玻璃固化后进行深地质处置。为了预测玻璃固化体在地质储存库中的行为、预防可能发生的放射性核素泄漏事故，了解其长期的辐射效应是非常必要的。本文描述了在玻璃固化体中的辐射源与辐射剂量；还讨论了各种用来模拟玻璃固化体在储存库中的辐射场以对其进行辐射性能研究的实验手段；最后综述了玻璃固化体中α与β衰变事件对其造成的辐射效应。

关键词：高放废物；玻璃固化体；辐射效应

1. 引 言

近年来，随着国民经济的蓬勃发展，能源短缺逐渐成为我国面临的一个严峻问题。核能，作为新能源中最具有竞争力的一员，其开发和利用越来越为我国所重视。预计到2010年核能发电量将达到20 GW路h，到2020 年为32～40 GW路h；同时也将产生大量的核废物，到2010年为1000t，到2015 年为2.0×103

t。估计核废物产生的速度在2020 年将达到每年1000t。因此，核废物处置已经成为迫切需要解决的课题。早在1985 年我国就已开始在该领域进行研究，但当时并未深入开展。世界各国对高放废物处置问题提出了许多方案, 如太空处置、海洋处置、海岛处置、冰层处置及深地质处置等等。目前世界上广泛认可的高放核废物地质处置方法是深埋于稳定的地层中（500～1000 m）。在众多方案中，该方案是开发时间最长，也是目前最有希望投入应用的处置方案，许多国家相继在其研究领域投入了大量的人力和财力。

当前我国提出的治理高放废物路线的主线是：鈥湶ＡЧ袒€斺€數刂蚀χ免€?。固化的目的是使高放废液中所含的核素转变成稳定形态, 封闭隔离在稳定的介质中, 以便阻止核素泄漏和迁移, 使之适宜于处置。目前已被采用的固化介质以浸出率很低的硼硅酸盐系的玻璃为主。同时, 其他一些可能代用的固化介质如陶瓷、合成矿物、结晶化玻璃也正在研究中。目前，玻璃固化是大部分拥有高放国防废物或者商业核燃料后处理生成的高放废物的国家所选择的针对大部分核废物成份的固化方式（例如：美国，俄国，法国，英国，日本）。 对于玻璃的选择主要是基于以下四个原因：（1）相比较其它固化方式，玻璃固化的处理过程相对简单（将玻璃粉与废物混合，在相对较低的温度熔解并注入金属容器中）。（2）玻璃作为一种非晶体可以很容易容纳高放废物的各种组分（20 至30 种成分）。（3）作为一种非晶体，玻璃受辐射效应的影响很小，尤其是阿尔法衰变的影响。（4）使用玻璃固化高放废物的相关技术我国已开发与研究多年，相比其它固化方式有更多技术基础。

然而，目前我国对玻璃固化体的研究主要集中在固化体生产、固化体类型、浸出实验研究、核素在介质中的迁移研究以及包装容器腐蚀研究等，并未开展针对玻璃固化体的辐照效应研究。既未曾考虑高放射性环境中玻璃固化体的微观与宏观结构变化、性质变化，也没有掌握足够的辐照性能评价数据，更没有建立起系统的性能评价方法。玻璃固化体是高放废物地下处置的第一层工程屏障，高放废物中的α、β 衰变导致的高放射性环境在长期储存的过程中会导致玻璃固化体物理性质和化学性质在微观和宏观两个水平上的改变，导致高放射性核素的浸出率上升。虽然玻璃固化体封闭于多重屏障系统内, 但不管该系统的设计多么完美,也不能永远的阻止核素向生物圈迁移，因为再坚固的设施也不可能永远存在。一旦工程屏障损坏, 核素就将随地下水一起向地质介质中迁移, 通过地质介质,

最终到达生物圈。因而，玻璃固化体的耐辐照稳定性能直接影响到高放废物的成功处置，针对玻璃固化体的辐照效应展开深入系统的研究是非常有必要的。

2. 辐照效应原理

处于深地质储存库中的高放废物玻璃固化体在其长期储存过程中会因为固化于其中的各种放射性元素（锕系元素以及裂变产物等）的衰变等行为导致其长期处于辐射场中。各类辐射源对玻璃固化体有着不同的辐射剂量、剂量率以及不同的辐射效应，本节将对此进行讨论。

2.1 辐射源与剂量

高放废物中主要的放射源是裂变产物（如137Cs和90Sr等）的β衰变和锕系元素（如U, Np, Pu, Am和Cm等）的α衰变，这两者都造成了废物固化体物理和化学性能的改变。β衰变产生了高能β粒子，能量非常低的反冲核和γ 射线；同时，α 衰变产生了高能α 粒子（4.5-5.5MeV），高能反冲核（70-100keV）和一些γ 射线。虽然不同的玻璃固化体中的废液装载百分比是不同的，但是一般说来，固化体中的α 及β 衰变在长期的储存过程中造成的累计辐射剂量都将会非常高。Weber 于1991 年所做的研究表明，储存于美国萨瓦那河工厂的高放废物玻璃固化体中，α 衰变在1000 年的时间内累计总数就已经达到了1017

次/g，在该剂量的辐照下，地球上最稳定的矿物鈥斺€旓慕峁挂步糠址蔷Щ欢?beta; 衰变则达到了更高的1018 次/g。此外，虽然锕系元素的自发裂变和α-n 反应也会造成一定的辐射损伤，但是这两者的发生几率非常低，对辐射效应整体而言没有太大影响，因此自发裂变的辐照效应在本文中不做讨论。

一般说来，β衰变在核废料储存的前五百年里是主要的辐照源，因为它来自短寿命的裂变产物（如，137Cs 的半衰期是30.2 年，90Sr的半衰期是28.8年）。裂变产物的β衰变是核废物储存库早期高放射性，高产热率以及温度上升的原因。由于锕系元素和它们的裂变产物的半衰期很长（比如，237Np, 239Pu,和235U 的半衰期分别为2.14×106, 2.41×104, 和7.04×108年），所以通常α 衰变成为主要放射源的时间要晚一些（约500 年之后）。显示的是美国西谷示范工程（West Valley Demonstration Project, WVDP）与萨瓦纳河工厂（Savannah RiverPlant, SRP）制造的玻璃固化体的α 衰变与β 衰变的累计衰变次数随储存时间的变化曲线。

2.2 射线与物质的相互作用

高放废物玻璃固化体中的放射性核素通过 α 和β 衰变释放出的α 粒子，α 反冲核，β 粒子以及γ 射线对玻璃产生影响。这些射线在玻璃中的能量损失主要分为两类：电子能损（非弹性能损）与核能损（弹性能损）。前者主要造成离化损伤，后者则主要是移位损伤，这两种损伤构成了辐射效应的主体。对于β 粒子和γ 射线，能量沉积主要由电离过程支配。对于离子，如α 粒子和α 反冲核，这种转移则主要由离子与组成玻璃核素的轨道电子的相对速率决定。如果离子的速度高于波尔电子速度（～2.2×108cm/s），电离过程将占主导地位；如果粒子速度低于轨道电子速度，电离的可能性则变的很小，大部分能量将被转移给原子核。这种关系可以更清晰地表述为：如果入射粒子能量（以keV 为单位）大于原子量，则相互作用过程中以电离（电子能损）为主；如果粒子能量小于这个值，则粒子通过库仑相互作用与原子核的弹性碰撞（核能损）占支配地位。因此，一个原子量是4，能量范围从4.5 到5.5MeV的α 粒子主要是通过电离过程沉积其能量，而原子量从235 到244，能量从70keV 到100keV的α 反冲粒子的能量损失则主要发生于其与玻璃中原子核的弹性碰撞过程。除能量沉积之外，衰变放射出的粒子在某些情况下其自身的沉积亦会改变高放废物玻璃的结构，对辐照效应有着同样重要的影响。

2.2.1 电离损伤

高放废物中放射性核素的α和β衰变产生的能量沉积中，以核能损形式沉积的只占总量的很小一部分。α 粒子和β 粒子主要通过库仑作用损失能量；γ射线和物质的相互作用则主要是光电效应，康普顿散射以及电子对效应。

高放废物玻璃中的β 衰变和α 衰变导致的电离和电子激发能使固化体发生显著的发热现象。温度增长的幅度取决于能量吸收速率，固体的物理特性（比如其特定的热学特性），导热性以及热量在环境中的传播速度。美国在尤卡山贮藏室的国防高放废物玻璃固化体在储存之初的温度可能高达250℃，该温度会随着玻璃固化体和乏燃料贮藏密度的不同而不同。但在数百年之后，其温度会降到100℃以下。另外，该贮藏点中混合有高负荷武器级钚的玻璃也会经历类似的温度（变化）。这种范围的温度能很大程度地影响核废物玻璃对辐射效应的反应。

除了发热，电离和电子激发会产生大量电子空穴对并导致共价键和离子键的断裂、轨道电子空位、扩散增强以及局部电子激发。化学键断裂和局部电子激发能形成非桥氧缺陷、局部分解（比如O2 的形成）以及局部电子激发转化成原子运动后（通常称为辐射分解）导致的永久原子移位。在玻璃中，辐射分解有可能比弹性碰撞造成更多的原子移位。

2.2.2 移位损伤

弹性散射碰撞会造成直接原子移位，并引起原子尺度的结构重排。由于β粒子的质量较小，它们不能有效地把能量转移给原子核，只有在高能时才会造成极个别的原子移位。β衰变产生的反冲核（β-反冲）的能量往往太小，很难使其发生不可逆的原子移位。一般而言，高放废物玻璃中的每个β 衰变造成0.1

个原子移位（dpa）。类似的，对于高放废物玻璃中的大部分衰变事件而言，其放射的γ 射线导致的反冲核（γ-反冲）也没有足够使其发生永久移位的能量。

高放废物玻璃中锕系元素衰变发出的α 粒子具有4.5 到5.8MeV 的能量，反冲核（α-反冲核）具有70 到100keV 的能量。α 粒子通过电离过程损失了大部分能量，在其16 到22 微米的射程中经历足以造成数百个永久原子移位的弹性碰撞。大部分原子移位发生在α 粒子射程的尾端。电子能损与核能损分别在总能损中所占的比例以及弹性碰撞造成的移位原子的分布可以由蒙特卡罗模拟程序（例如TRIM）得出。显示了使用TRIM-96 模拟得到的结果，硼硅酸盐玻璃中5.2MeV 的α 粒子产生的移位氧离子，氧离子的位置分别由X 和Y 的值表示。能量相对较低的α-反冲粒子会造成高放废物玻璃中的弹性碰撞产生的原子移位总量的大部分。α-反冲粒子在非常短的射程（30 到40nm）里发生的弹性碰撞几乎损失掉它的所有能量，造成高度局部化的损伤（位移级联或热峰），该损伤有1000 到2000 个原子移位。展示的是在硼硅酸盐玻璃中235U 反冲核产生的位移级联。在玻璃中由α-反冲核导致的位移级联的能量沉积密度是非常高的（大于1eV/原子），同时其在非常短的时间（＜10-12s）内发生，从而可能会导致局部鈥溔刍€潯?br />

2.2.3 嬗变与气体生成

除了以上两种效应外，发生 α 衰变和β 衰变的放射性核素向化学性质不同的核素嬗变，而这可能严重影响玻璃的化学性质。高放废物玻璃中发生嬗变的主要是高放废物玻璃固化体中丰度较大的裂变产物137Cs 和 90Sr。这两种核素的嬗变导致了其离子半径和化合价的改变。Cs1+衰变到Ba2+，离子半径减小了