在核燃料被運抵反應(yīng)堆后，新燃料放在最外層。反應(yīng)堆被封閉后一般能連續(xù)運行一至兩年。然后反應(yīng)堆被重新打開，移除最內(nèi)層的(也是最舊的)核燃料，并將其余燃料依次向內(nèi)層移動，最后填充新燃料。一組燃料在反應(yīng)堆內(nèi)會經(jīng)歷3次這種循環(huán)，總共3至6年的時間。
這些被移出的燃料組含有高放射性的裂變產(chǎn)物(如鍶90和銫137)，并將產(chǎn)生數(shù)十千瓦熱輻射。如果僅靠空氣冷卻，核燃料外包圍的金屬壁會融化甚至燃燒，因此移出的核燃料往往都被保存在由鋼筋混凝土建造的乏燃料貯存池中，并由非常純凈的冷卻水負責(zé)降溫。
這些元素的半衰期(一半的物質(zhì)因衰變轉(zhuǎn)化為其他元素所需時間)只有幾年。一段時間后，這些燃料組就不需要再儲存于水中，而被轉(zhuǎn)移到鋼制套桶中，在那里干燥，充入惰性氣體，然后被封閉。這些套筒最后被裝入巨大的混凝土儲存桶中，靠自然的空氣循環(huán)帶走燃料釋放的微小熱量。
不過，乏燃料中的錒系元素(actinides)很讓各方頭疼。當(dāng)鈾原子吸收一個中子但沒有發(fā)生裂變時，就產(chǎn)生了錒系元素。這些物質(zhì)的半衰期可達數(shù)十萬年。1987年，美國會選中尤卡山作為永久儲存核廢料的地點之一，并且預(yù)計將從2017年開始接收首批核廢料。
在乏燃料中，約有95.6%的燃料(按體積計算)未參與反應(yīng)。剩余部分中，有3.4%是裂變反應(yīng)產(chǎn)物，1%是钚這類半衰期較長的錒系元素。美國未來計劃更加高效地回收核廢料中的鈾和钚，并且將其制成新的核燃料，剩下的短壽命裂變產(chǎn)物則被封存在廢料庫中。
根據(jù)國際原子能機構(gòu)的數(shù)據(jù)，一座裝機容量1，000兆瓦的反應(yīng)堆，每年只產(chǎn)生大約33噸核廢料。在儲存桶中存放的時間越長，核廢料衰變的比例就會越大。一旦因核廢料熱輻射過高而造成附近的地下水沸騰，產(chǎn)生的蒸汽就會使巖石碎裂，導(dǎo)致核廢料擴散。(高軼軍）
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