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王泽平 戚文华 | 乏燃料后处理体系对比分析研究
发布日期:2020-06-04 信息来源: 中咨研究 访问次数: 字号:[ ]

【摘要】国际上对乏燃料的处置方式主要有三种:闭式循环、一次通过循环和长期中间储存。我国核燃料选择闭式循环的技术路线,拟通过国际合作建设处理能力800吨铀/年的大型商用乏燃料后处理厂,其工艺技术复杂,工程建设周期长,投资存在很大不确定性,未来将有可能直接影响核电的上网电价。核燃料闭式循环或一次通过循环技术路线均需要建设深层地质存储库,我国应尽早完成深层地质存储库的研究、选址和试验验证等工作。

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当前,国际上对乏燃料的处置技术路线主要有三种:

1.闭式循环(见图1),即通过分离、回收乏燃料中的铀和钚,再制成核燃料用于压水堆或快堆,同时分离或提取核燃料在反应堆中辐照时所产生的裂变核素和超铀元素,可大幅降低地质处置废物的体积,并利用嬗变技术缩短其危害持续时间。法国、英国、日本、俄罗斯和中国是对乏燃料进行后处理的代表国家。


图1 核燃料闭式循环示意图

2.一次通过循环(见图2),即反应堆使用后的乏燃料不再进行资源再利用,直接通过整备和处置工艺技术包装深埋处理,并满足长期安全存放要求,美国政府于1977年决定采用一次通过循环的技术路线,其他代表国家有加拿大、德国、芬兰和瑞典。

图2 核燃料一次通过循环示意图

3.长期中间储存,即尚不明确乏燃料的管理线路,现时采取观望的态度,采取离堆临时贮存方式,待技术路线成熟后再明确处置方式,代表国家有西班牙、韩国、墨西哥等[1]。乏燃料离堆贮存分为湿法贮存和干法贮存,湿法贮存通过池水对乏燃料进行冷却和屏蔽;干法贮存通过空气或惰性气体对流对乏燃料进行冷却,用金属或混凝土作为屏蔽[2]。

核电强国美国一直支持一次通过循环的乏燃料处置技术路线,并在2013年发布的《乏燃料和高放废物管理与处置战略》中明确,未来数十年仍将采取乏燃料直接处置策略。当前世界各国公认乏燃料处置的最佳及最终方式是长期深层地质存储。拥有商用核电站的国家正计划将各自的不同核燃料循环体系所产生的放射性废物等在深层地质存储库中进行存储。世界各核监管机构已基本达成共识,在深层地质存储库中存储、隔离和管理乏燃料是最为负责的一种方式。目前,芬兰、瑞士、法国已完成乏燃料或后处理废物存储库的选址,并积极推进建设工作;加拿大、德国、瑞士、英国、日本、俄罗斯以及中国均在积极开展存储库的选址、试验验证等工作。

二、乏燃料后处理的工艺流程

乏燃料后处理是从辐照后的乏燃料中分离提取铀、钚等有价值的元素,回收的铀占95%,钚占1%,其他4%主要是高放废物。后处理生产的铀经过不同工艺处理后可用于所有堆型作为核燃料,但现阶段均存在不同程度的技术难度,后处理生产的钚产品直接制成铀钚混合氧化物(MOX)燃料,可用于压水堆或快堆作为核燃料。

普雷克斯(PUREX)后处理流程是目前国际上普遍使用的乏燃料后处理工艺流程,主要包括机械和化学首端、化学分离、铀尾端和钚尾端三个部分。机械首端是将乏燃料组件成束切割成短段,供化学首端溶解;化学首端是溶解燃料棒短段中的铀芯,再将溶解液澄清过滤,调节价态,计量。化学分离是通过共去污分离循环、铀纯化循环和钚纯化循环使铀、钚与放射性裂变产物分离以及铀、钚之间的分离纯化。铀尾端是通过料液浓缩蒸发器对来自铀纯化循环的含铀水相料液进行蒸发浓缩,浓缩后的料液进入流化床进行脱硝制备氧化铀产品;钚尾端是将分离出的料液进入钚纯化与浓缩车间,通过沉淀反应、过滤和煅烧等处理流程制备氧化钚产品。

三、乏燃料后处理的优势

1.提升离堆贮存能力

随着全球核电发展规模越来越大,产生的乏燃料数量不断增加,乏燃料离堆贮存能力将无法满足核电持续发展的需要。通过采用乏燃料后处理技术路线可实现乏燃料集中管理,提升乏燃料离堆贮存能力,对核电行业发展和电站安全稳定运行具有积极意义。

2.提高铀资源利用率

乏燃料后处理须有一定规模的核电装机容量支撑,从而提高铀资源的利用率。天然铀中铀-235含量约0.71%,压水堆核电站卸出的乏燃料中铀-235含量为0.8%~1.3%,比天然铀还高。乏燃料后处理技术可回收铀和钚,再制作成氧化铀和铀钚混合氧化物(MOX)燃料返回热堆、快堆使用,实现铀资源利用率的提高。根据专家推测,压水堆使用乏燃料后处理技术可节省30%左右的天然铀;如果能实现快堆和后处理核燃料闭式循环,铀资源的利用率可提高60倍左右[4]。

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乏燃料后处理可使放射性废物减容和毒性降低。乏燃料如按照一次通过循环的方式直接进行长期深层地质存储,高放废物量约2立方米/吨铀,如对乏燃料进行后处理,产生的高放废物量约0.5立方米/吨铀,减少约75%。按照当前国际上后处理的工艺技术水平,铀、钚回收率可达99.75%。同时,乏燃料中钚和次锕系元素放射性降低到基本无害的时间也从几十万年缩短为千年左右,分离出来的放射性元素也可能进行嬗变,从而进一步减少最终处置废物的放射性毒性[4]。

四、乏燃料后处理面临的问题

1.工艺技术不成熟

后处理工艺技术复杂,工程建设周期长,不确定因素多,且乏燃料只能处理一次,使用后无法再处理。目前国际上现有和在建的商用乏燃料后处理厂均未实现标准化,需要在建设和运行过程中不断积累经验。法国阿格后处理厂(UP2-800和UP3运行中)、英国THORP后处理厂(运行中)、日本六个所后处理厂(在建)在工程实施和运行过程中均遇到了诸多技术问题。

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通过乏燃料后处理技术提高铀资源利用率需要付出高昂成本。由于后处理过程中涉及大量的放射性,对工作环境要求极其苛刻,且有较多的放射性存量。乏燃料后处理分离、回收和利用的钚有剧毒,而且是最重要的防止核材料扩散的物质。实质上,后处理厂就是运行、维护、检修都需要远程操控,具有核临界性质的化工厂。因此,后处理厂需要大量的资金保障技术可靠和运行安全。

日本六个所后处理厂由法国阿海珐设计,年处理能力800吨铀/年,1993年开始建设,原定1997年完工,现已推迟24次,2015年初,建设资金已达2.14万亿日元(约合210亿美元),最新预计2021年完工。迄今,近30年建设期造成六个所后处理厂的总成本(包括运营费用)预计达到13.9万亿日元(约合1220亿美元),建设期过长导致的后期维修费用可能进一步推高总成本。

3.增加核电机组的运行成本

当前,我国如建设800吨铀/年处理能力的大型商用乏燃料后处理厂,保守预估建设费用至少需要1200亿元,按每台百万千瓦压水堆核电机组年产生乏燃料20-25吨计算,对应处理约24台核电机组全生命周期乏燃料产生量,每台机组的乏燃料后处理费用达数十亿元,如再加上后处理厂的运行费用,分摊到核电机组的成本将更高,对核电的上网电价将产生超过10%的影响。

后处理厂从开工建设到完工至少需要10年的时间,按照核电中长期发展规划的目标推测,到2030年,国内核电站累积卸出乏燃料约25300吨,离堆贮存需求达15000吨,即便中外合作建设的后处理厂顺利投产使用,800吨铀/年的处理能力也很难解决乏燃料池饱和的问题。

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80年代初,我国开始开发民用核电站,当时普遍认为,在我国铀资源缺乏的情况下,建立乏燃料后处理体系可以提高铀资源的利用率,并为未来发展快堆提供燃料。1983年,我国经过对核电发展计划、国内外铀资源情况及后处理工艺技术发展水平、安全性、经济性等方面进行充分论证后,明确了“发展核电必须相应发展后处理”,并在日内瓦国际会议上对外公布。2007年颁布的《核电中长期发展规划(2005-2020)》明确提出积极推进核电建设的发展方针,按照热中子反应堆-快中子反应堆-受控核聚变堆“三步走”的发展战略,并确定了核燃料选择闭式循环的技术路线和乏燃料后处理策略。

按照我国核电发展规划,到2025年每年需天然铀约1.5万吨,以核电站寿期60年计算,累计需要天然铀约90万吨。根据国际原子能机构的预测,全球经济可开采铀资源约600万吨,我国的铀资源相对匮乏,将有可能制约核能可持续发展。近期,我国一直积极寻求通过国际合作建设处理能力800吨铀/年大型商用乏燃料后处理厂,一方面通过国际合作建设可以尽快形成一定后处理和铀钚混合氧化物(MOX)燃料制造能力,加快推动我国核燃料循环产业商业化进程;另一方面可以通过项目建设消化吸收获得的各种技术,结合我国正在开展的后处理示范项目,使我国尽快掌握国际先进的后处理技术,获取大型商用乏燃料后处理能力和铀钚混合氧化物(MOX)燃料制造厂的设计、关键设备制造、工程建设能力等。

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我国核电正以较快的速度发展,目前,已实现商运的核电机组47台,容量约4875万千瓦,在建核电机组15台,容量约1694万千瓦,在建核电机组数量世界第一。未来,我国乏燃料数量持续增加是不争的事实,努力实现核电可持续发展也是必由之路,但现阶段是否建设800吨铀/年处理能力的大型商用乏燃料后处理厂值得商榷。

普雷克斯(PUREX)后处理流程由美国研发,美国的商用后处理厂起步也较早。但卡特政府宣布无限期推迟商业后处理政策后,至今仍没有商用后处理厂运行。发展核电较早的美国的乏燃料数量相比其他国家更多,并一直坚持乏燃料后处理技术的研究,但停滞现有的商用后处理技术必定有其深层次值得思考的原因。

随着我国快堆技术的发展与应用,未来将与乏燃料后处理技术形成燃料闭式循环体系,大幅提高铀资源利用率。全球仅美国、俄罗斯、法国、英国、德国、日本、印度和中国8个国家建成大小钠冷快堆20座,积累400多堆年运行经验,且大部分由研究堆和实验堆积累,尚无法建立商业模式,商运经验匮乏。目前,仅俄罗斯、日本、印度和中国有快堆运行,法国、英国、美国和德国快堆有关设施都先后被拆除或封存[5]。因此,规模化发展快堆将是一个长期的过程,并且值得思考的另一个因素是快堆并非一定使用铀钚混合氧化物(MOX)燃料。

无论从经济或技术角度考虑,当前我国建设大型商用乏燃料后处理厂面临较高的风险,项目一旦开建将延续数十年,涉及数千亿投入,且中途无法“脱身”。如果为了解决核电厂乏燃料存储问题,我国完全可以暂按一次通过循环或长期中间储存的方式处置,并不需要急于建设后处理厂。选择核燃料闭式循环或一次通过循环技术路线均需要建设深层地质存储库,因此,我国当前应尽早完成深层地质存储库的研究、选址和试验验证等工作。

七、对我国大型商用乏燃料后处理厂建设的建议

1.完善乏燃料管理的顶层设计,明确审评流程

2016年国务院发布的《能源发展“十三五”规划》明确提出,要加快论证并推动大型商用乏燃料后处理厂建设,集中攻关核电乏燃料后处理技术,为后处理产业发展提振了信心,但大型商用后处理厂建设应正视面临的社会稳定和技术、投资、工期等风险。在乏燃料管理方面,我国已制定了相关法律法规和标准,但乏燃料管理方面还存在对后处理态度不统一,诸多责任不明确,顶层设计有待进一步完善的问题。我国大型商用乏燃料后处理厂选址和前期决策阶段,应尽早梳理审评流程,促进相关法律法规和顶层设计进一步完善。

2.重视国际合作的接口管理和技术、经济风险管控

大型商用乏燃料后处理厂的设计和建造周期均较长,涉及的技术领域复杂,我国拟采用国际合作的模式建设大型商用乏燃料后处理厂需重点关注各参建单位的管理接口关系;目前国际上大型商用乏燃料后处理技术也在不断更新完善过程中,缺乏完整定型的工程作为参照,国际合作的前提需明确分工范围、工艺流程、技术指标及项目采用的法规标准,并尽量细化外方的供货范围及其质量保证、性能担保等。同时国际合作将涉及大量外汇,近年来复杂多变的国际形势将对利率和汇率带来较大的不确定性,要提前做好经济风险的防范措施。

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世界上科技水平较高的发达国家均建立了完善的知识产权制度,且不断提高保护水平和扩大保护范围,并在知识产权国际事务中强制推行。我国采用国际合作的模式建设乏燃料后处理厂应尽早开展知识产权风险识别、分析和专题研究;对项目设计、设备制造和建设过程中可能遇到的工程技术风险进行专题分析论证。

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我国已经制定了《核电站乏燃料处理处置基金征收使用管理办法》和《核电站乏燃料处理处置基金项目管理办法》,为后处理产业发展奠定了一定的经济基础。但大型商用乏燃料后处理厂投资巨大,应尽早对乏燃料基金使用规则、项目资金筹措和运营方式等开展专题分析研究,并根据项目投资规模拟定资金筹措方案及相应的经营模式。自日本福岛事故以后,国际上核电发展整体处于颓势,根据市场供需关系,天然铀难以维持较高的价格,目前进入下行通道,低于40美元/磅,商用后处理厂建设应结合未来核电市场考虑项目本身的经济性。

5.加大核科普宣传力度,提升公众核安全信心

由于公众缺乏对核能和核安全知识的充分理解,对乏燃料后处理知识更是了解甚少,大型商用乏燃料后处理厂的选址和建设都面临一定的社会稳定风险,获取当地政府支持和公众理解是保证乏燃料后处理产业顺利发展的关键因素之一。项目单位需加强核能和乏燃料后处理知识的科普宣传,提高公众的参与度,从而获取公众的信任和认可,并研究争取地方政府及公众对乏燃料后处理项目给予支持的相关措施。

6.增加科研技术储备,做好风险防范措施

国际上后处理技术、标准和环境要求在不断变化,大型商用后处理厂建设周期长达十余年,建设过程将面临诸多不确定因素和技术、经济风险。以日本六个所800吨铀/年商用乏燃料后处理厂为例,日本基于某些特殊原因,借以核燃料闭式循环政策解决铀资源匮乏问题,并配套发展后处理技术,逐步建立了完整的核燃料循环体系,有着较好的后处理技术和人才基础,同时在国际合作中无技术转让限制,但六个所后处理厂开工建设至今近30年仍未获得批准运行,背上了沉重的经济包袱。因此,我国拟采用国际合作建设大型商用乏燃料后处理厂将面临更多的困难和挑战,应进一步深入研究制定风险防范措施,并与一次通过循环处置方式进行对比,不急于上马。

【参考文献】

[1]刘华.国外乏燃料后处理概况[J].化学工程与装备,2012(11):122-126.

[2]马敬,刘继连.田湾核电站乏燃料离堆贮存方案研究[J].科技和产业,2014(04):149-155.

[3]栾洪卫,徐俊峰,景继强.核电站乏燃料后处理现状和发展趋势浅析[J].科技信息(学术研究),2008(34):304-305.

[4]孙学智,罗朝晖.全球乏燃料后处理现状与分析[J].核安全,2016(2):13-15.

[5]温鸿钧.关于澳门威利斯人娱乐澳门威利斯人娱乐[J].中国核电,2008(2):168-174.

[6]扬长利.中国核燃料循环后段[D].北京:中国原子能出版社,2016.

注:原文载于《中国工程咨询》2018年第9期。本次发表做了较大改动。