有些東西挺冤枉的，尤其是一旦被加上“廢料”之后，就似乎這些東西一文不值了。

今天咱們接著上次的話題說下“核廢料”吧，畢竟很多“環保人士”留言在提核電站不環保，等等等等等等等的一系列妄言。

但是要知道在現金社會中，咱們撇開發電不說如果沒了核電站，你還真不一定能活下去！

所謂的“核廢料”，當且僅當是在這一輪核反應堆發電作業中發完電的材料，并不一定代表著這些東西就沒用了。

所以，按照常規認知很多人認為核電站是一個發電廠，倒不如把核電站作為一個工廠來看待。

核反應堆“發電”，從本質意義上來講，“電”只是副產品，實際上更“金貴”的東西都在核廢料里面。

我們先來簡單了解一下核反應堆的工作原理：

通常，核反應堆的容器內包括兩個部分，一個是反應堆，另一個是蒸汽發生器。反應堆釋放的熱量被導出到蒸汽容器中，通過散熱管道讓蒸汽容器中的水溫提高，從而制造蒸汽，蒸汽從蒸汽管道溢出驅動汽輪機帶動發電機發電，在蒸汽推動汽輪機葉片轉動后損失內能凝結為水，這些冷凝水繼續由水泵輸送到反應堆的蒸汽發生器內產生蒸汽。而額外的冷卻則依靠外部水源在蒸汽輪機的冷卻區域通過封閉的管道完成循環。

在這樣的“燒開水”過程中由于雙重循環的隔離作用隔離了反應堆-蒸汽發生器-環境的循環，也就保證了核電設施的安全性。

而核反應中所產生的物質都在反應堆中集中。

繼續看核裂變反應：

當一個“慢中子”擊中鈾-235原子核的時候鈾原子核會捕獲這枚“慢中子”繼而分裂形成兩個新的原子并釋放出兩到三個“快中子”。這是一個經典的反應堆反應。比較絕妙的一點就是“輸入”了一個中子參與反應，最后“輸出”中得到了更多的中子。這些中子又可以繼續參與“輸入”，最終反應可以持續進行。

上面W君從互聯網上隨便找了一個圖片，細心的同學可能就會發現，圖片中輸入端是寫的“中子”，但在W君的描述中寫了“慢中子”。為什么這樣寫？咱們討論的是傳統的反應堆，這里就得提到鈾-235對中子的吸收截面問題了。

注意：圖片無法表示原子與原子核的真實比例

通常意義上認為一個原子的尺度是10?1?米范疇，也就是10億分之一米。但原子核的尺度則在原子的尺度上再小4-5個數量級。怎么直觀認知這個尺度差異呢？

一個標準的足球場長度為120米寬度為90米，一個標準的四號足球的直徑是20厘米。你以為是足球場和足球的比例關系嗎？錯！一個足球的直徑達到了足球場的1/600，比原子核與原子的比例大多了！給你看足球場其實是告訴大家原子核的大小僅僅是足球場上一粒不到一毫米的沙粒的大小。

現在的議題其實就很簡單了，你在距離球場幾萬米的高空（鈾-235原子平均間隔0.24× 10?1?米）扔下一粒沙粒（中子，尺度1.6~1.8 × 10?1?米），準確的命中足球場上的一粒大一點的沙粒（鈾-235原子核，7.4 × 10?1?米 ）。

這件事基本上就是不可能的對吧？那么如果在扔下去的那粒中子小沙粒所行進的路線上疊加足夠多的足球場（鈾原子）就可以成功的依靠概率取勝，讓這粒小沙粒可以至少命中一個足球場上的沙粒（鈾原子核）。

這個概率就是鈾-235原子的“中子吸收截面”。

但理解這個問題之后你還是不會知道為什么鈾-235對慢中子的吸收截面大于快中字的吸收截面，是不是？那么我們來看原子核。

這是2020年6月3日，《自然》雜志在線發表了題為《它開辟了一個全新的宇宙：革命性的顯微鏡技術首次看到單個原子》中單個原子的影像。原子的尺度大小實際上是一個統計學結果，本身的原子核原子核都是高頻震蕩的。從空間上的直觀感覺就是忽大忽小。當一個中子快速的穿過原子空間的時候，有可能這片大大的足球場正在“縮地成寸”，那么中子就遺憾的錯過了與原子核融合在一起的機會，這樣反應截面就必然減小了。

這件事和大家玩游戲的時候一樣，在一些落石關的時候跑得越快越不容易被石頭砸到。

但你的目的如果是確保自己有更大的概率被石頭砸到，那么最好的策略就是慢慢走了——慢中子。

因此，在很多反應堆中就有了減速劑，例如水、重水、石墨……都是為了在中子的路徑上消耗中子的能量，讓中子的運行速度慢下來。

當然了，如果我們要造核武器，那么小的空間內就無法容納減速劑了，增加中子行進路徑中和鈾-235原子核相撞的概率還有一種方法就是提高鈾-235的濃度，搞成高濃縮鈾就可以了。

當然了，具體提高到多少恰好就涉及安全問題了，咱們就不多說了，但方向就是這個方向。

說回咱們的主題，這件事和核廢料有什么關系呢？其實統計學的東西就在里面沒有哪個中子可以確保擊中鈾-235的原子核，還可能擊中鈾-238的原子核，或者擊中什么其他的奇奇怪怪的原子核，這些都是“核反應”。

當中子擊中鈾-238后，有一系列的反應：

首先生成鈾-239，在短暫的時間后進行貝塔衰變，生成镎239，再經過短暫的貝塔衰變，這些原本只能做穿甲彈的鈾-238就轉變成了可以做原子彈的钚-239。就問你一句爽不爽？

這些钚-239就存在于核廢料中，等著你下一輪提取、加工、再用，甚至——你想搞點厲害的，也不是不行（當然，別瞎搞）。具體可以參考之前的專欄文章：

當然了，生成钚-239的同時，實際上還有一種更有用的元素被制造出來，這就是钚-238。

哎～有新元素了，Am（镅）這東西哪里來的？這是鈾-238在反應堆中捕獲了多個中子，最終生成了钚-241，再由钚-241衰變（周期大約是14.4年）最終生成了镅-241，這種镅-241也可以繼續捕獲中子，變成镅-242，然后再貝塔衰變成鋦（Cm），鋦再經歷一次阿爾法衰變，損失掉兩個質子和兩個中子就變成了钚-238。

所以說核反應堆中的陳年老料那才叫一個金貴。

說了半天，那么钚-238干嘛的？這是人類核熱電池的主要材料！

這主要來源于钚-238的自發熱特性，钚-238會有阿爾法衰變，不斷的放出氦核。在這個過程中會釋放大量的熱量。即使不對钚-238采取任何動作，每克钚-238都具有0.54瓦的熱功率。因此我們看到大塊存在的钚-238都是燒紅了的樣子。

這種發熱并不是他們在爐子里被燒紅的，而是因為大塊的钚-238本身所釋放的熱量無法消散而將自己直接燒紅的特殊現象。

由于有了钚-238這種不間斷發熱的熱源，我們就可以利用塞貝克效應制造熱電池。

通常這種電池的壽命可以達到70-80年，功率可以高達數百瓦甚至數千瓦，在難以補充燃料的各種空間探測器上，裝配以這種原理的熱電池就可以持續的為設備供電。

例如，新視野號探測器上，就包含了利用钚-238放熱作為能源供給方式的“放射性同位素熱電機”。

如果覺得太空里我嗎很遠，那么鈷-60這種讓人聞風喪膽的東西實際上也是在核反應堆中生產出來的。

普通的金屬鈷原子量為59，是一種常見的穩定元素，將鈷-59丟到核電站反應堆中，鈷-59也會俘獲一個中子，就形成了鈷-60。

這個東西在軍事中被假想為“鈷彈”，是一種想象中的強輻射武器，以伽馬射線殺傷敵軍，據傳一枚鈷彈可以毀滅整個歐洲。當然了，這玩意存在于幻想中，還沒有靠譜的技術實現。

但在核電站中生產出的鈷-60被廣泛的用于工業、醫療、食品、軍事等各個領域。

原因在于，當鈷-59俘獲了一個中子后，會進行貝塔衰變，可以放出能量高達315 keV的高速電子成為鎳-60，與此同時還會放出兩束伽馬射線，其能量分別為1.17及1.33 MeV。這是世界上最好的伽馬射線源。

我們日常吃的很多草莓、櫻桃、獼猴桃等水果，就是通過鈷-60伽馬射線滅活的，一方面利用伽馬射線可以有效的在不破壞結構的前提下殺死植物活細胞以免高端植物種子被竊取再次種植保護植物知識產權，另一方面，食物中的病菌也會在伽馬射線的輻照下迅速殺滅，這樣對于水果的保鮮也會更加有利。

在現代農業的范疇下，其實從大蒜、西紅柿到獼猴桃等一系列的高端高產作物都會經過鈷60滅活裝置處理。

不僅僅如此，其實醫院中的伽瑪刀本質上也是一個鈷-60輻射源在起到關鍵作用。

從早期全機械全手動的伽瑪刀：

到現在醫院中所使用的大功率全自動伽瑪刀：

其本質上是沒有任何原理級變化的，改用自動設備主要的原因是保護醫師不接觸過量輻射。畢竟在針對于病患來講，幾天照一次，而操作伽瑪刀的醫生如果用純手動裝置就成了一照照一天了。

再有，各種核裂變產物以及反應堆產物也都是寶貝。例如核醫學“老三樣”（碘-131、锝-99m、銫-137），這些東西都是在核電站廢料中提取的。有的會用作治療劑、有的會當作示蹤劑。由于放射性元素自身衰變特性，即便是有“純天然產物”在礦石中也幾乎沒有什么開采價值，反而這些元素的最佳獲取途徑恰恰就是大部分人嫌棄的核廢料。

不過，這里要說一點題外，有一些反應堆產物現在也會在反應堆之外去制作。例如剛剛提到的锝-99m。仔細看——“锝-99m”，在書寫元素同位素的時候一般是元素名稱+原子量，例如“鈾-235”，當然了U-235、鈾235，23?U這樣寫都是可以的，W君這樣寫“鈾-235”就是為了在網絡平臺上打字方便。但是“锝-99m”，后面有一個“m”，這就是不是一個常見的同位素書寫方式了。

在核反應中一個元素變為另一個元素，當元素中質子數量相等而中子數量不等的元素出現，就叫做“同位素”（Isotope），例如鈾-235和鈾-238，他們的質子數都是92，“同位”是指在元素周期表上的“位置相同”。例如氕氘氚都是氫元素，它們三個互為同位素。元素周期表的位置相同，證明了它們本身有相同的外層電子數量和電子軌道結構。呈現的特征就是擁有幾乎完全相同的化學性質。例如氕氘氚都可以貢獻一個電子和氧結合形成H2O。

因此它們的化合物就是水（H?O）、重水（D?O）、超重水（T?O），當然了化學只是物理的皮毛而已，不會研究得很深入，不太客氣的說就是“盲人摸象”，但是基本日常生活、基礎研究夠用罷了。但是如果深入核物理學去討論問題，那么只有同位素還遠遠不夠，锝-99m是锝-99的“核同質異能素”（Nuclear isomer），“核同質異能素”什么概念呢？結構質量相同，能級不同。

例如，這是一個鈴鐺：

這也是一個鈴鐺：

它們的差別在哪里呢？

靜止的鈴鐺是“基態”，我們用“锝-99”這樣的形式表示，在晃動發生的鈴鐺是“亞穩態”，我們用“锝-99m”這樣的形式表示。

當然了，有的元素有很多不同的亞穩態，這里我們就得提到老鼠夾子的存在形式了，放在抽屜里的，打開彈簧的，夾到老鼠的，沒夾到老鼠的……

例如鈷-60，實際上就有 鈷-60m1、鈷-60m2、鈷-60m3等各種不同的“核同質異能素”，都是“老鼠夾子”，但細節上還是有區別……其實，元素周期表只是一個二維表工具，在核物理學上如果要擴展是可以擴展成五維結構的。

說回主題，大部分的核廢料處理現在是做填埋，例如在地下幾百米甚至上千米的深處把核廢料儲存起來。

但是由于核廢料中大量放射性元素都是在變動變化的，這種處理方式就有點簡單粗暴了。

真正正確的方式其實是在合適的時間點提取出我們需要的東西。

這樣才是把“核廢料”做到真正的物盡其用。填埋這種方式其實很笨，但有點象當年我們把稀土礦渣用來鋪路的方式，都是等到有合適的技術后再拿出來用。

現在大家知道稀土礦值錢了，是因為我們有了提取技術，這些礦渣的價值上升了幾萬倍。核廢料也是一樣的，核廢料中的值錢玩意要遠比稀土礦渣中的價值高很多，所以，對于核廢料的處理，也和稀土一樣是關系到國家戰略的一個領域。這不，這幾年在核工業中就興起了MOX了嗎，MOX（Mixed oxide fuel，混合氧化物燃料），大部分MOX就是從核廢料乏燃料中再次提取出來的一種混合物。也就是說很快，很多核反應堆是可以再次“燒爐渣”的。

截止到去年年底，中國核電站裝機數量已經排在世界第三、核電站發電量已經排在世界第四，很快，如何處理核廢料的問題也就是我們再次實現稀土神話的一個領域。所以，W君看有些人提“核電站不好、核廢料沒法處理”這樣的觀點，就像很多很多年前看有一些人唱衰“電解鋁污染環境、能源消耗太大”的感覺了。

人嘛，最重要的是要有前后眼睛，國家也是一樣的。

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