福島核廢水氚的故事

日本於4 月13 日對外宣布從2022 年起,會將福島核廢水稀釋後排入海中。此事雖然得到美國及國際原子能總署(IAEA) 支持,但是不意外,必然引發鄰近國家強烈不滿與抗議。福島核災發生於2011年3月11日,當時在福島第一核電廠6 部機組中,有3 部機組的爐心嚴重熔毀。依國際核能事件分級標準(INES),福島核災與1986 年發生於烏克蘭車諾比核電廠事故,同列為人類史上第7 級最重大事故。

劉公典 ( 化學博士)


▲福島核災與1986 年發生於烏克蘭車諾比核電廠事故,同列為人類史上第7 級最重大事故。(網路截圖)。

核廢水卻愈來愈多?

這是因為在事發時,雖然所有反應爐都立即停機,但在爐心無法取出的燃料棒仍然持續衰變,同時不斷釋出大量熱能。為了避免引發更嚴重的熔毀,必須不斷以水冷卻。這些冷卻水因為直接接觸燃料棒,因此會攜出大量放射物質。據悉至2021年2月止,核廢水已經超過1247000 立方米,等同554 座奧運標準游泳池。

在正常運轉時,核電廠會產生三大類、數十種以上放射性核種,包括(1)「分裂產物」是核燃料( 鈾-235、鈽-239) 分裂後產生之較輕同位素,像碘-129、銫-137;(2)「活化產物」是核電廠管路的材料吸收中子後變成放射性同位素,如鐵-55、鈷-60;與(3) 原子序≧ 92的「超鈾元素」及其衰變子核種。但是福島核廢水因為未經反應爐循環管路,推測分裂產物及超鈾元素可能會是主要放射物質。


▲具輻射性的氚在氣態與液態時遷移性非常高,會廣泛融入生物圈,福島核廢水稀釋後排入海中,必然引發鄰近國家強烈不滿與抗議。(網路截圖)。

反應爐會產生多少氚?

在常態運轉的核電廠廢料中,不同放射核種的數量具有一定比例關係。比如產生多少氚,是會與產生銫-137的數量成一定比例。但福島核災屬於異常情形,因此比例關係可能會有改變,例如大量冷卻水裡天然0.015% 之氘及其它會捕獲中子的雜質如鋰,是否會產生較多的氚?

氫其實有三兄弟:氫、氘、氚。科學家把它們稱為同位素。其中只有氚具輻射性,但化學行為都一樣。這是福島第一核電廠非常難把氚水從核廢水去除的原因。

氫、氘、氚的差別是原子核裡的中子數不同,但是質子數一樣。質子數( 原子序) 一樣,代表在週期表上是同一個位置的元素,簡稱「同位素」。會有放射性,是因為氚原子核裡中子與質子不穩定,有一個中子會轉變成質子,衰變過程會放出貝他射線。

氚是怎麼來的?

1954 年以前,地球含有的天然總氚量約為900克,換算比例約等於5 TU (氚/ 氫 =5×10¹ ⁸ ),可以視為天然背景。天然氚主要來自宇宙射線在大氣層撞擊氮氣產生,再氧化成水分子進入生物圈。到1960 年代,因為核爆試驗很多,因此氚/ 氫比值一度飆高至2000 TU。幸好2006 年後下降至5~30 TU。福島第一核電廠熔毀的3 部機組全是沸水式反應爐(BWR),根據加拿大核管會報告,BWR 氚主要來自氘捕獲中子及核分裂生成。
政府應建立活度分佈圖

每一個放射性核種的危害程度與防範方法,是根據核種的放射與化學行為而定。氚因為在氣態與液態時的遷移性非常高,廣泛融入生物圈。因此舉凡其它遷移性愈高( 不易沈積、沸點低、易溶於水) 的核種,如銫、碘、鎝、碳、氫等都必須監測,建立我國大氣與近海核種,特別是要有長期氚、銫-137 與總貝他(gross beta) 的活度分佈資料。

廣島大學2012 年針對福島電廠附近水域調查報告,顯示福島核電廠80 公里以內的海水樣品中,揮發性放射核種銫-137 的濃度是日本海水的10-20 倍,高於難溶性核種( 像鈾與鈽)。難溶性核種因為不易遷移,反而會滯留於事故當地,除非透過食物鏈,相對不容易發生遠程傳播。

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台灣醒報 [2021/4/19]

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福島核廢水氚的故事

台灣醒報

2021/第0419期