综述：放射性废物管理：现状与新兴技术

《Journal of Hazardous Materials Advances》：The radioactive waste management - State of the art and emerging technologies

放射性废物管理面临全球核能扩张带来的挑战，需整合废物最小化、处理、固定化及表征技术。重点包括 hierarchy 框架下优先减少、再利用及循环，以及非破坏性成像（如γ/中子层析）和AI辅助的实时监测技术提升安全性与效率。政策需强化透明度与公众参与，兼顾技术可行性与社会接受度。

　　随着核能在全球范围内不断扩展，放射性废物的可持续管理仍然是一个关键挑战。尽管核能作为一种可靠且低碳的能源来源，其放射性副产物如果管理不当，会对环境和公众健康造成显著威胁。本文对当前和新兴的放射性废物管理策略进行了全面评估，涵盖了废物最小化、处理、固化以及表征等方面。文章强调了废物管理的分层框架，优先考虑减少、再利用和再循环，而非最终处置。此外，还探讨了废物表征领域的最新进展，包括实时监测、先进成像技术和人工智能，这些技术共同提高了放射性核素的空间分布图谱化和废物形式行为的预测模型。除了技术创新，文章还强调了强大的政策框架和积极的公众参与对于确保透明度、社会接受度和监管一致性的重要性。通过推广适应性、基于科学和参与式的方法，核行业可以实现更安全和可持续的放射性废物管理路径。

在放射性废物的管理过程中，核废料通常被分为高放废物（HLW）、中放废物（ILW）和低放废物（LLW）。高放废物主要来源于乏燃料，约占总废物量的3%，而中放废物则占7%。其余约90%的放射性废物为低放废物，通常由核电站的日常操作、维护和退役过程产生。这些废物种类涵盖了多种放射性核素，具有不同的衰变模式和半衰期。例如，氚（Tritium-3）的半衰期为12.32年，而碳-14的半衰期则长达5.21×10^2年。其他如氯-36、氩-39、钙-41、钙-45、锰-54、铁-55、钴-57、钴-60、镍-59、镍-63、锌-65、钡-133、铕-152、铌-94、钼-93、锆-93、银-110m、锑-125和碘-129等核素，其半衰期从几天到数百万年不等。这些核素的特性决定了其处理和处置策略，如碘-129具有极长的半衰期，对环境的长期影响不可忽视，而某些短寿命核素则可能在短期内通过适当的处理手段实现有效控制。

在废物处理方面，目前的研究重点在于开发高效的处理技术，以减少废物体积、提高废物的安全性，并降低对环境的影响。其中，吸附技术被广泛应用于放射性废物处理，其利用高比表面积和定制功能的吸附剂对放射性核素进行捕获。例如，介孔氧化铝微球和钛-钙-镁磷酸盐已被证明对铀（U(VI)）、铕（Eu(III)）、铯（Cs）、锶（Sr）和钴（Co）具有高吸附能力。此外，磁性普鲁士蓝纳米复合材料和基于锆的金属有机框架（Zr-MOFs）因其简单磁性分离和pH控制脱附的可重复性，表现出良好的再利用潜力。尽管吸附技术具有快速的动力学和高容量，但其长期可持续性仍依赖于提高其可再利用性和循环性。

离子交换技术在放射性废物处理中也占据重要地位。离子交换过程，特别是使用硫修饰沸石作为离子交换材料，显示出对铯离子（Cs?）的增强选择性，即使在存在竞争离子如钠离子（Na?）的情况下。这种改进源于硫作为软路易斯碱与铯作为软路易斯酸的特异性相互作用，为铯的捕获提供了一种有效的途径。另一项近期研究开发了一种高稳定性和抗渗漏的钠铜钛酸盐（SCT）离子交换材料，专门用于从放射性废液中固化锶离子（Sr2?）。SCT通过钛异丙醇的水解反应合成，显示出对锶离子的卓越选择性，即使在存在竞争铯离子的情况下。离子交换的主要挑战在于识别适用于目标放射性核素的合适材料，以及在混合废液中维持离子交换材料的选择性，同时避免二次废物的产生。因此，未来的研究应关注开发抗辐射、可再生的离子交换材料，如金属有机框架（MOFs）和钛酸盐，以确保长期的处理效率。此外，研究人员还应致力于将人工智能（AI）应用于再生控制，以减少废物并提高效率，从而实现可持续性。

电化学技术因其环境友好性、灵活性和高处理效率而受到关注。这些方法包括电沉积、电芬顿、电渗析和电凝聚-浮选等，能够通过电化学反应直接提取或转化放射性核素。电化学处理方法在处理液态放射性废物方面展现出巨大潜力，尤其在从放射性废液中去除铯（13?Cs）方面。例如，一项研究展示了使用结构化的普鲁士蓝-碳纳米纤维（PB–CNF）材料进行电化学吸附和脱附的新型方法，其对铯的吸附和脱附效率显著高于传统的普鲁士蓝-FTO和PB-商业碳布电极。然而，电化学方法在混合废物流中的选择性仍需进一步优化，以避免二次废物的生成。同时，电极在腐蚀性环境中的稳定性问题也是当前研究的重点。

共沉淀工艺，如使用钾亚铁氰化物与镍硝酸盐或硫酸铁，已被证明在处理钢铁灰清洗废液中的放射性13?Cs方面具有高去除效率，报告的去除效率超过99.9%。化学沉淀方法通常具有高效率、简单性和低成本的优势，但面临固体-液体分离困难和放射性污泥生成等挑战。例如，一项研究展示了在核设施退役过程中产生的高盐和酸性废液中，13?Cs和??Co可以通过与铁亚铁氰化物共沉淀去除，而??Sr则通过与硫酸钡（BaSO?）共沉淀有效去除，去除效率达到98.8%。然而，共沉淀方法在实际应用中仍需解决固体-液体分离和污泥处理的问题。

膜分离技术作为另一种处理策略，展现出良好的前景。例如，一项研究探讨了商业纳滤（NF）和反渗透（RO）膜在放射性废水中去除铯、锶和钴的潜力。NF膜提供了较高的通量（230–354 L/m2·h）和中等的截留率（31–64%），使其适用于预处理或体积减少。RO膜则实现了单个和混合核素溶液的截留率超过98%，显示了其在放射性废水处理中的广泛应用。此外，石墨烯氧化物膜（GOMs）在处理高放液态废物（HLLW）方面表现出色，其独特的离子渗透等级（Cs? > Na? > Sr2? > Eu3?, UO?2? > Th??）由尺寸排除和石墨烯氧化物中含氧官能团的配位效应驱动。研究表明，较低的硝酸浓度可以增强对f-block元素的选择性截留，而增加膜厚度则会降低整体离子渗透通量。因此，未来的研究应致力于开发抗辐射的混合膜（如GO–TiO?）以及抗污染涂层，以提高膜的处理效率和选择性。

此外，物理方法如焚烧和压缩在废物体积减少方面发挥着关键作用。焚烧涉及对可燃废物的高温氧化，包括塑料、纸张、纺织品和有机液体，通常在超过800°C的高温下进行。焚烧产生的二次废物，如放射性灰烬和过滤器，需要后续固化和处置。然而，焚烧过程中可能释放出具有放射性和危害性的气体排放，因此需要先进的气体处理系统，以确保符合法规要求并获得公众接受。压缩是一种更简单且成本效益更高的方法，通过机械压缩固体放射性废物来减少其体积。压缩过程产生的二次废物较少，常用于干低放废物的处理。

为了有效管理复杂的放射性废物流，建议采用结合两种或多种互补技术的混合处理系统。技术选择应基于关键因素，如处理成本、处理时间、能耗以及产生的二次废物量。通过整合膜过滤用于体积减少、选择性吸附或离子交换用于目标核素的去除，以及共沉淀或电化学方法用于最终精炼，可以显著提高放射性废物处理的整体效率和可持续性。一项研究总结了各种处理方法的优缺点，为技术选择提供了参考。

在放射性废物固化方面，目前主要采用玻璃、陶瓷、沥青、水泥和混凝土等材料。这些固化技术不仅降低了环境污染的风险，还使得放射性废物的安全处理、储运和最终处置成为可能。例如，水泥固化技术因其成本低廉、配方灵活、过程简单且无挥发性释放而被广泛用于低放废物和中放废物的处理。然而，水泥固化技术面临的主要挑战包括低废物负载、对可溶性核素的保留能力有限，以及与有机物和高硫酸盐废物的兼容性不足。因此，研究应聚焦于开发具有更高废物负载能力和更长使用寿命的新型固化材料，以满足废物最小化的要求。

相比之下，玻璃固化技术因其卓越的化学耐久性和结构稳定性而成为高放废物处理的基准方法。玻璃固化过程涉及将放射性废物与玻璃形成添加剂（如二氧化硅、硼酸盐和氧化铝）混合，形成均匀的原料，然后在1100°C至1500°C的高温下熔融，使放射性核素融入熔融玻璃结构。冷却后，材料形成无定形玻璃或在控制结晶条件下形成玻璃陶瓷。玻璃陶瓷结合了玻璃相的化学稳定性与晶体相的机械强度，使其成为放射性废物固化的一种理想候选材料。然而，玻璃固化技术的高能耗和基础设施成本限制了其在低放废物和中放废物处理中的竞争力。因此，研究应聚焦于开发微波辅助和冷坩埚感应熔炼（CCIM）等混合玻璃固化系统，以提高能源效率、处理能力和熔炼设备寿命，同时保持玻璃的耐久性。此外，将生命周期评估（LCA）框架纳入玻璃固化研究中，有助于全面评估其长期经济和可持续性表现，与水泥和地质聚合物等替代方案进行比较。

对于高放废物，玻璃和陶瓷材料提供了卓越的耐久性和核素保留能力。然而，玻璃固化技术的高成本和能源需求仍是挑战。因此，研究应着眼于开发低温玻璃配方和可扩展的陶瓷烧结技术。玻璃陶瓷系统，结合晶体和非晶相，表现出良好的性能与工艺适应性，成为高放废物处理的有前景的材料。

在放射性废物表征方面，研究强调了通过实时监测、先进成像和人工智能技术提高放射性核素的空间分布图谱化和废物形式行为预测模型的重要性。这些技术的结合不仅提升了废物表征的精度，还增强了数据的可解释性。例如，三维伽马射线成像技术能够提供放射性核素的详细分布图谱，优化废物放置，减少辐射暴露和泄漏风险。人工智能辅助的监测系统可以加速数据的分析和解释，提高废物表征的可靠性。此外，X射线衍射（XRD）、X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）等技术，能够提供关于废物形式中核素化学形态和氧化状态的结构和化学洞察。通过这些技术，可以更深入地理解核素在固化材料中的行为，为废物处理和处置提供科学依据。

在废物表征过程中，传统的方法如伽马光谱学和X射线荧光（XRF）仍然广泛应用。然而，这些方法在处理异质废物时可能面临准确表征的挑战，导致核素定位的不精确。因此，研究应致力于开发更先进的非破坏性分析（NDA）技术，如中子-伽马射线发射断层扫描（NGET）和穆子散射断层扫描（MST），以实现更高精度的核素定位。此外，人工智能和机器学习驱动的监测系统可以提高数据的准确性、速度和可解释性，减少人为错误并增强废物表征的可靠性。

公众参与和社会接受度在放射性废物管理中同样至关重要。核能的发展和废物管理项目的成功不仅依赖于技术性能，还依赖于公众的信任和社会接受度。因此，建立透明的沟通渠道、提供社区参与机会以及确保决策过程的公平性是推动放射性废物管理项目的重要因素。国际原子能机构（IAEA）和经济合作与发展组织核能署（OECD/NEA）均强调了公众参与在核能管理中的核心地位。通过引入开放的数字平台、实时辐射监测和人工智能辅助的检查系统，可以提高公众对核废物管理项目的可见度和信任度，从而增强其社会合法性。

为了进一步提高安全性，研究建议开发结合人工智能的智能废物桶扫描系统，该系统通过自动旋转废物桶、人工智能和神经网络技术以及实时可视化，实现对放射性废物的高效表征和管理。这种系统能够提供实时的核素空间分布数据，提高检测精度，减少分析时间，并降低人类暴露于辐射的风险。此外，智能废物桶扫描系统还能实现异常检测和分类，提高废物评估过程的可靠性和效率。

展望未来，研究建议将机器学习与反应输运和热化学建模相结合，以预测放射性核素在地质处置库中的行为。跨学科合作，包括材料科学家、数据科学家、核工程师和政策专家，将有助于开发标准化的性能指标、透明的数据共享框架和基于生命周期的可持续性评估。通过结合技术创新、政策制定、公众参与和数据驱动的决策，核行业可以构建一个具有韧性和适应性的框架，实现放射性废物的可持续管理，确保当前和未来世代的安全。