核废料处理建模论文

核废料处理建模论文
一．核废料处理的背景
随着化石能源的枯萎和越来越难以承受的污染的环境，核能发电充分体现出清洁、高效的优势，逐渐成为了各国的电力支柱。

但是，核废料的处理和安全储存问题一直没有得到解决，所以，这些危险的核废料何去何从，成为了世界上普遍争议的问题。

通常我们所说的核废料包括中低放射性核废料和高放射性核废料两类，前者主要指核电站在发电过程中产生的具有放射性的废液、废物，占到了所有核废料的99%，后者则是指从核电站反应堆芯中换出来的燃烧后的核燃料，因为其具有高度放射性，俗称为高放废料。

高放废料则含有多种对人体危害极大的高放射性元素，其中一种被称为钚的元素，只需
10 毫克就能致人毙命。

这些高放射性元素的半衰期长达数万年到十万年不等，如果不能妥善处置将会给当地环境带来毁灭性影响。

九十年代以后，随着着我国核电站数量的增加，东部经济发达地区能源短缺的巨大压力得到了有效缓解，但这些核电站在发电的同时也产生了大量的核废料。

目前我国核电站每年产生上千吨的具有高度放射性的核废料，预计到2010 年这些核废料的积存量将达到10000 吨。

由于高度放射性核废料对环境与人体都有极大的危害性，我国政府高度关注这些核废料的处理问题，所以首相特召开本次会议，共同商讨我国核废料处理的相关问题。

以前，美国原子能委员会将放射性核废料装在密封的圆桶里扔到水深约91m 的深海里。

生态学家和科学家担心这种做法不安全而提出疑问。

原子能委员会会向他们保证：圆桶决不会破漏。

经过周密的试验，证明圆桶的密封性是很好的。

但工程师们又问：圆桶是否会因与海底碰撞而发生破裂？原子能委员会说：决不会。

但工程师们不放心。

他们进行了大量的试验后发现：当圆桶的速度超过12.2m/s 时，圆桶会因碰撞而破裂。

那么圆桶到达海底时的速度到底是多少呢？它会因碰撞而破裂吗？
二．模型的假设
下面先对所要做的模型做一些必要的假设：
（1）海水的密度是均匀的
（2）圆桶在不同的方位所受的阻力是相同的
（3）圆桶下沉的阻力与速度成正比
（4）圆桶的形状在水中保持不变
（5）不考虑水下生物的活动对圆桶运动产生的影响
三．符号说明
已知圆桶的质量w= 239.456 N，海水密度ρg=1025.94kg，海水深度91m，海水的浮力
B=213.306N，圆桶的体积V = 0.2083m。

另外，工程师们做了大量牵引试验后得出结论：
圆桶下沉时的阻力与圆桶的方位大致无关，而与下沉的速度成正比，比例系数k = 0.12。

四．核废料处理问题的模型建立
只要找出圆桶的运动规律，即可判断出这样处理核废料的方法是否安全。

圆桶在运动过程中所受到的作用力包括：圆桶所受的重力w 、水的浮力B 和水的阻力
D 。

设圆桶的位移函数为s = s (t )，速度函数为v = v (t )，由牛顿运动定律得圆桶的位移和 速度
方法一
()-1D K V
w kv F m a
dv
w B kv m
dt dv dt
w B kv m =-==--==--⎰⎰桶ρg ν ()1217.2/kt m w B v t e k w B t m s k
-⎛⎫-=- ⎪⎝⎭-→=当∞时，
但是这种方法的计算较为粗略，不能精确与12.2m/s 进行比较，差距太大，尝试失败。

方法二： 根据dv
a dt =算不出来，寻求别的解法，寻求y 与t 的关系.dv
dv dy dt dy dt =.dv v dy = 210000ln(1)1ln(1)()11
n x x
n n n v dy dv w B kv
m y
v
w B kv
m k k w B
x x dx x dx x n +===---=-----=-=-=--+⎰⎰∑∑
⎰⎰∞∞ 2222221/211()2()2122()..(
)13.93/12.20/y
v w B kv k v v m
k k w B w B w B y
v m w B
W B y g
V m s m s w ->--+=--->--<>≈ 计算的结果表明，当到达海底91m 深处的时候，圆桶必然破裂，这种将核废料封入圆桶中，以海底作为核废料坟墓的方法最终宣告失败。

五． 核废料处理新技术展望
根据国内外有关核废料处理的研究方向，现对未来核废料处理新技术研究领域加以概述。

5.1 深度钻孔
将核废料埋入地下正成为最受推崇的处理方式之一，深度钻孔这一解决方案仍处在计划
阶段。

深度钻孔有其优势一面，可以在距离核反应堆很近的地区进行钻孔，缩短高放射性核废料在处理前的运输距离。

然而，与将核废料送入太空面临的困难一样，钚回收也是一项挑战——将核废料埋入地下3英里（约合4.8公里）是一回事，安全回收则完全是另一回事。

5.2 送入太空
宇宙本身就会产生放射性物质，同时也可以充当地球核废料的一个储存仓库。

如果穿越太阳系，或者坠入太阳之中，核废料便很难对地球上的生物带来很大威胁。

但即使太空发射的安全性达到标准，在将来的某一天，我们也许需要重新找回这些物质。

钚、铯、锶等本身就是有限资源，如果裂变反应堆技术先进到一定程度，它们会成为燃料。

因此研究人员表示，我们似乎需要将核废料留在“身边”以便在需要的时候使用，这才是一种合理做法
5.3 冰冻处理
核废料温度很高。

将核废料球放入较为稳定的冰原，它们会随着周围冰的融化向下移动，之上的融冰则又再次凝固。

这一想法遭到拒绝的原因很多，其中一个原因便是冰原会发生移动，导致放射性物质会像冰山一样在海洋中漂浮
5.4 使用液压笼
如果在核废料周围建造一个类似三维壕沟的水笼，地下水便被赋予一条替代路径，不会渗入放射性物质。

未来的核废料处理装置应该可以做到防泄漏，而液压笼的作用则是防止地下水污染这一最严重的情况发生。

5.5 埋入俯冲带
将核废料埋入俯冲带可以让用过的核燃料棒沿着地球构造板块的“传送带”移动并最终进入地幔。

与海床下储存一样，埋入俯冲带这种处理方式也违背国际条约。

同时，来自俯冲带海床的岩浆会随着火山涌出，这也是一个不得不考虑的因素。

5.6 封入合成岩
当前最为现实的做法——将反射性核废料埋入地下——向人们提出了一系列问题，其中包括如何防止核废料污染周围的岩石和水。

一种具有可能性的处理方式是将放射性核废料封入合成岩中。

合成岩于上世纪70年代研制成功，可用于储存高放射性核废料。

在设计上，合成岩可以吸收清水反应堆和钚核裂变产生的特定废物。

它们是一种陶瓷制品，能够将核废料封入晶格内，用以模拟在地质构造上较为稳定的矿石。

5.7 海床下储存
在海洋的大部分区域，海床都由厚重的粘土构成，最适合吸收放射性衰变产物。

六．结语
当前，世界核电工业正处于高速发展时期，因此有关核废料的处理技术必须加以重视，并应投入足够的资金和力量加以研究，这样才能保证世界核电事业可靠持续发展。