我國(guó)乏燃料后處理大廠建設(shè)的幾點(diǎn)思考

李金英,石 磊,胡彥濤

1.華潤(rùn)(集團(tuán))有限公司,北京 100005;2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京 102413;3.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,北京 100029;4.中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840

我國(guó)乏燃料后處理大廠建設(shè)的幾點(diǎn)思考

李金英1,2,3,石 磊1,2,3,胡彥濤4

1.華潤(rùn)(集團(tuán))有限公司,北京 100005;2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京 102413;3.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,北京 100029;4.中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840

本文在分析了國(guó)際乏燃料后處理設(shè)計(jì)思路、工藝流程、相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)、建造過程和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)乏燃料后處理技術(shù)現(xiàn)狀以及相關(guān)配套,就我國(guó)乏燃料后處理大廠的建設(shè)提出初步的思考。

乏燃料;后處理大廠

核能作為一種安全、清潔、經(jīng)濟(jì)的一次能源,已經(jīng)得到了全世界的廣泛認(rèn)可和接受。為了確保核能的可持續(xù)發(fā)展,必須建立一個(gè)完整的與核能發(fā)展相配套的核燃料循環(huán)體系。所謂核燃料循環(huán)是指核燃料的獲得、使用、處理和回收利用的全過程,分為兩大部分:核燃料循環(huán)前段和核燃料循環(huán)后段。其中前段包括鈾礦地質(zhì)勘探、鈾礦開采、礦石加工(選礦、浸出、沉淀等多種工序)、鈾的提取、精制、轉(zhuǎn)換、濃縮和燃料元件制造等。后段包括對(duì)反應(yīng)堆輻照以后的乏燃料元件進(jìn)行處理、管理和處置,或者進(jìn)行乏燃料元件后處理(鈾、钚分離)以及對(duì)所產(chǎn)生的各類放射性廢物進(jìn)行處理、儲(chǔ)存和處置等。

不同的國(guó)家根據(jù)各自國(guó)情選擇適合自己的核燃料循環(huán)策略,主要有三種模式。美國(guó)、加拿大、瑞典和西班牙等國(guó)家選擇“一次循環(huán)通過”模式[1]。法國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、印度和日本等國(guó)采取核燃料閉式循環(huán)方式。我國(guó)也采取閉式循環(huán)模式。美國(guó)又于2006年重新提出采用核燃料閉式循環(huán)模式。另外也有不少國(guó)家尚未確定核燃料循環(huán)的技術(shù)路線[2],對(duì)乏燃料采取暫時(shí)儲(chǔ)存的做法,根據(jù)國(guó)際形勢(shì)的變化和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展再做決策[3-7]。走核燃料閉式循環(huán)之路,對(duì)乏燃料元件進(jìn)行后處理,其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境價(jià)值是十分顯著的:回收的鈾和钚重新加工成燃料元件,供核電機(jī)站使用,大大提高核燃料資源的利用率;與嬗變結(jié)合還可大大減小放射性對(duì)環(huán)境的影響。到目前為止,中國(guó)大陸已有13個(gè)核電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)(共計(jì)1 080萬千瓦),根據(jù)我國(guó)的核電建設(shè)規(guī)劃到2020年每年卸出的乏燃料總量約1 750 t左右[8](按裝機(jī)7 000萬千瓦計(jì)),需要建設(shè)一座年處理能力為800 t商用乏燃料后處理大廠,實(shí)現(xiàn)我國(guó)核能利用的可持續(xù)發(fā)展。

作者根據(jù)多年收集的資料,分析國(guó)際乏燃料后處理設(shè)計(jì)思路、工藝流程、相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)、建造過程和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)等,在此基礎(chǔ)上結(jié)合我國(guó)乏燃料后處理的現(xiàn)狀,對(duì)我國(guó)乏燃料后處理商用大廠的建設(shè)提出幾點(diǎn)思路,以供參考。

1 國(guó)外商用乏燃料后處理大廠建設(shè)運(yùn)營(yíng)情況

乏燃料后處理工藝有兩種,濕法工藝和干法工藝。早期干法流程一度被認(rèn)為優(yōu)于濕法流程,后來濕法工藝(Purex流程)成為后處理技術(shù)的主流[9],但是干法工藝也是一種不可或缺的工藝,但目前尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用[10]。

工業(yè)規(guī)模的乏燃料后處理已有七十多年的歷史,在這段時(shí)間內(nèi),有17個(gè)國(guó)家從事后處理,建成了包括中間試驗(yàn)廠在內(nèi)的后處理廠有32個(gè);在2000年前,計(jì)劃建造的后處理廠有13個(gè),處理對(duì)象有天然鈾、低濃鈾、高濃鈾和鈾钚混合氧化物燃料,表1列出了世界上幾個(gè)主要核國(guó)家已建和計(jì)劃建造的工業(yè)規(guī)模輕水堆乏燃料后處理廠[11]。

表1 幾個(gè)主要核國(guó)家輕水堆乏燃料后處理廠Table 1 Spent nuclear fuel plants of the main countries

2 商用乏燃料后處理大廠設(shè)計(jì)與建造原則

商用后處理大廠的設(shè)計(jì)原則有如下幾點(diǎn)[12]:確保工廠安全和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行,盡量減少工作人員的輻照劑量;高度可靠的工藝和裝備;盡量減少廢物量;設(shè)計(jì)上必須留有更新修改余地。

根據(jù)后處理大廠的設(shè)計(jì)原則,建造中必須確定以下目標(biāo):良好的運(yùn)行性能、最大限度回收核材料鈾和钚、運(yùn)行維護(hù)工作人員受輻照低、環(huán)境影響小、廢物處置得到優(yōu)化、核材料實(shí)體保衛(wèi)安全等。

以法國(guó)UP3后處理廠為例來說明商用后處理大廠設(shè)計(jì)與建造原則。UP3后處理廠廠房布局示于圖1[13-14],對(duì)乏燃料元件處理包括3個(gè)步驟:第1步是接收(乏燃料元件從堆芯取出存放若干年,采用特制運(yùn)輸容器運(yùn)至后處理廠);第2步是貯存(在專用水池內(nèi)再存放幾年);第3步是處理(最重要和關(guān)鍵的一步)。通過后處理工藝后,鈾和钚便得以與放射性裂變產(chǎn)物分離開來,分別進(jìn)行處理、處置。UP3后處理廠設(shè)計(jì)原則裕度很大,加之安全管理非常嚴(yán)格,并未給周圍環(huán)境和居民、特別是其本身工作人員造成明顯影響。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,UP3后處理廠給工作人員造成的放射性劑量照射僅為平均每人每年0.123 mSv,周圍居民所受劑量為平均每人每年0.02 mSv(不含天然本底),而相應(yīng)法國(guó)職業(yè)照射的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為每人每年50 mSv,滿足了后處理大廠的設(shè)計(jì)與建造原則。

圖1 UP3后處理廠廠房布局圖Fig.1 Layout of UP3 plant

3 商用乏燃料后處理大廠工藝、設(shè)備以及成功應(yīng)用事例

結(jié)合商用后處理大廠設(shè)計(jì)與建造原則,在選擇流程時(shí)采用了下列關(guān)鍵工藝流程原則:盡可能選用連續(xù)流程;流程的可靠性和靈活性要高,要有足夠的安全裕度,要有恰當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng);對(duì)于設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和安裝要盡量達(dá)到最高的可靠性;要確保臨界安全,盡可能優(yōu)先選用幾何安全設(shè)備。以下結(jié)合工藝流程的相關(guān)階段進(jìn)行概要性的說明。

3.1 首端工藝

首端系統(tǒng)主要包括剪切、溶解、澄清、調(diào)料等工序,首端的處理能力決定著后處理工廠的生產(chǎn)能力,因此設(shè)備的處理能力、穩(wěn)定性、連續(xù)性是各后處理工廠致力研究的課題之一。

在UP3和UP2-800后處理廠以及法國(guó)設(shè)計(jì)的日本六所村后處理廠中[15],主要的創(chuàng)新技術(shù)是在首端處理[16]。法國(guó)在UP3首先采用了連續(xù)流程,提高生產(chǎn)能力的同時(shí)滿足了嚴(yán)格的安全要求。后處理廠的首端處理有 A、B兩條生產(chǎn)線,其中UP3的剪切機(jī)采用水平進(jìn)料,整束切割,并可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離維修。法國(guó)首次開發(fā)了連續(xù)回轉(zhuǎn)溶解器,通過幾何等方法控制臨界安全,該溶解器實(shí)現(xiàn)了工藝的連續(xù)溶解,每條生產(chǎn)線需要具有4 t/d的生產(chǎn)能力,經(jīng)過UP3和UP2-800廠的運(yùn)行表明,連續(xù)溶解器安全、穩(wěn)定,適用于大型后處理廠的運(yùn)行。

英國(guó)的 THORP廠首端采用傳統(tǒng)的剪切-進(jìn)取法,系統(tǒng)能夠處理40多種不同燃料,選用的立式剪切機(jī)(指刀具和加緊裝置的運(yùn)動(dòng)都與水平送進(jìn)的燃料垂直),具有減少燃料碎屑存留量、有助于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離維修、采用V型壓緊塊適用多種類型燃料等優(yōu)點(diǎn),剪切機(jī)設(shè)計(jì)的通過能力為7 t/d。英國(guó)對(duì)設(shè)計(jì)的V型溶解器進(jìn)行了多年研究,然而THORP廠仍然適用傳統(tǒng)的非連續(xù)溶解器,溶解過程中必須加中子毒物釓。

俄羅斯首端系統(tǒng)采用臥式剪切方式,剪切后的燃料短棒從溶解器頂部的錐形分配器均勻掉在6個(gè)分隔的小室內(nèi),裝料完畢后,將溶解器與切割單元分開,進(jìn)行批式溶解[17]。

溶解得到的產(chǎn)品溶液中含有極細(xì)的不溶性裂變產(chǎn)物和包殼碎屑顆粒,為了避免在后續(xù)工序中因他們集聚而帶來潛在的危險(xiǎn),必須除去這些顆粒。THORP廠使用懸鼓式離心機(jī)來實(shí)現(xiàn)澄清目標(biāo)。UP3的料液澄清采用Robatel DPC900懸掛式離心機(jī),具有排堵及清洗、旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、容易操作等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 化學(xué)分離工藝

(1)工藝概況

各后處理廠根據(jù)物料比放射性和去污要求等具體情況,在流程的組織方面有所不同。

法國(guó)UP3廠運(yùn)行之初采用三循環(huán)的 Purex流程,即采用一個(gè)循環(huán)用于共去污和鈾钚分離,兩個(gè)鈾純化循環(huán),兩個(gè)钚純化循環(huán)。工廠的運(yùn)行比預(yù)期的要好,第一循環(huán)鈾的初產(chǎn)品幾乎達(dá)到指標(biāo)的要求,鈾中剩余钚的含量低于產(chǎn)品要求,經(jīng)過流程優(yōu)化,鈾二循環(huán)出口的鈾產(chǎn)品中剩余的镎和γ污染物能達(dá)到指標(biāo)要求,在1994年UP3廠停掉了鈾三循環(huán),處理燃料的燃耗也增加至50 GWd/t,而化學(xué)分離運(yùn)行的結(jié)果一直令人滿意。英國(guó) THORP廠的化學(xué)分離工廠的運(yùn)行能力為5 t/d,原設(shè)計(jì)采用5個(gè)循環(huán)的 Purex流程,經(jīng)過多年的小規(guī)模熱實(shí)驗(yàn)和大型冷實(shí)驗(yàn)縮減為3個(gè)循環(huán)。

目前,商用乏燃料后處理工廠主工藝流程普遍采用溶劑萃取法。溶劑萃取法的主要優(yōu)點(diǎn)是分離去污效果好、易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作,缺點(diǎn)是操作步驟多、放射性廢液量大、并有溶劑的輻照損傷問題。Purex流程是目前各國(guó)普遍采用的后處理流程,該流程以磷酸三丁酯(TBP)作萃取劑,以煤油或正十二烷作稀釋劑,利用鈾、钚、裂變?cè)卦谙跛崴嗪陀袡C(jī)相中不同的分配系數(shù),通過多次萃取-反萃過程達(dá)到去污、鈾钚分離及進(jìn)一步純化的目的。處理高燃耗的后處理廠,法、英兩國(guó)的工藝流程處于世界領(lǐng)先地位,日本六所村后處理廠也從法國(guó)引進(jìn)了先進(jìn)的工藝流程。

就Purex流程工藝而言,法、英、日等國(guó)的流程大同小異,具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)。

①1AF的進(jìn)料酸度為3 mol/L,Np大部分被萃入有機(jī)相,隨后鈾钚分離時(shí)Np主要進(jìn)入鈾純化循環(huán),然后在鈾純化循環(huán)使用適當(dāng)?shù)倪€原劑,精確控制操作條件將Np和Pu除去。

②在第一循環(huán)中把锝和氚洗下來,防止锝擴(kuò)散到后續(xù)流程1BX柱和1BS柱消耗還原劑四價(jià)鈾,降低鈾钚的分離系數(shù)。

③采用“無鹽流程”,第一循環(huán)使用四價(jià)鈾和肼(肼作為U(Ⅳ)和 Pu(Ⅲ)的穩(wěn)定劑,以免其再被氧化)作還原劑,在钚純化循環(huán)使用硝酸羥胺(HAN)作還原劑,使钚和鈾、釕等分離。

④在第一循環(huán)和钚純化循環(huán)中鈾钚分離后增加钚障槽,利用四價(jià)鈾和肼進(jìn)一步還原回收進(jìn)入有機(jī)相的Pu。

⑤1AF通過氮氧化物調(diào)料使Pu和Np分別為四價(jià)和五價(jià),利用電解氧化法將2AF的 Pu由Pu(Ⅲ)調(diào)為Pu(Ⅳ),兩種調(diào)料方法有利于減少廢液中鹽分。

我回到房間，在想這突如其來的來自隔壁的好意，究竟是什么意思，看著那個(gè)精致的果盤上擺滿的玲瓏剔透的水果上細(xì)細(xì)的牙簽，我覺得這些牙簽分分鐘都有可能插進(jìn)我的喉嚨，要了我的命。我將果盤中的水果都倒進(jìn)了廚房的垃圾桶里，一個(gè)不留。我覺得我做得對(duì)，我甚至都不知道她的名字。

(3)尾端處理

UP3廠、THORP廠都是將經(jīng)過純化循環(huán)得到滿足凈化要求的鈾料液和钚料液經(jīng)過尾端精制(脫硝轉(zhuǎn)化為氧化物的形式)分別制成 UO3和PuO2,然后分別送入鈾貯存車間和钚貯存車間,或直接送去制造MOX元件。UP3廠钚尾端的日處理能力為50 kg PuO2形式的Pu。

(4)有機(jī)溶劑的管理

有機(jī)溶劑在同含有鈾、钚、镎和裂變產(chǎn)物的硝酸水溶液接觸時(shí),受到不同射線的輻照作用,在溶劑萃取過程中會(huì)生成一系列降解產(chǎn)物和界面污物,使溶劑質(zhì)量變差,影響萃取操作。

后處理廠通常一方面連續(xù)監(jiān)測(cè)溶劑中 TBP的含量,并及時(shí)加入 TBP或稀釋劑來調(diào)整其濃度;另一方面,溶劑必須洗滌,以除去它的降解產(chǎn)物。為了能夠重復(fù)利用萃取劑和稀釋劑,同時(shí)減少有機(jī)廢液量,需對(duì)有機(jī)溶劑進(jìn)行處理重復(fù)使用。

UP3廠增加了溶劑處理單元,在共去污循環(huán)、鈾純化循環(huán)和钚純化循環(huán)分別設(shè)有溶劑處理單元。對(duì)循環(huán)后的溶劑依次通過碳酸鈉和苛性鈉處理除去溶劑降解產(chǎn)物磷酸二丁酯(DBP)、磷酸一丁酯(MBP),然后通過蒸餾處理過量的溶劑,以回收純稀釋劑和濃 TBP,以便再循環(huán)。通過溶劑和稀釋劑回收復(fù)用,產(chǎn)品的規(guī)格也很容易達(dá)到,某些結(jié)果明顯好于規(guī)格的要求,殘?jiān)实陀?%,回收的溶劑中 TBP的含量也遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值60%,這兩個(gè)結(jié)果使得送去處置的有機(jī)廢物體積比預(yù)計(jì)的小。

3.3 廢物管理

后處理廢物根據(jù)放射性強(qiáng)度的不同分為高放、中放、低放廢物,每一類廢物都有專門的管理工藝。后處理廠廢物的處理系統(tǒng)要盡可能減少最終處置的廢物體積,就需要開發(fā)一系列減容的新技術(shù)。

廢物處理系統(tǒng)的核心是廢液的管理工藝和廢物制備工藝。高放廢物采用的管理策略通常是先在高放貯罐中貯存液體,讓其放射性衰變,然后用硼硅酸鹽玻璃將其轉(zhuǎn)化為玻璃固化體,英國(guó)、法國(guó)、日本、比利時(shí)和美國(guó)都采用該處理路線。中放廢物包括后處理廠產(chǎn)生的燃料包殼、廢液、泥漿和離子交換劑等,先在水泥固化工廠中進(jìn)行固化處理,然后將其封裝于鋼桶里進(jìn)行淺地質(zhì)貯存。低放廢物的處理方法一般是庫中處置、超級(jí)壓縮貯存、注灌水泥漿等方法,對(duì)放射性極低的液體流出物和氣載流出物,經(jīng)過監(jiān)測(cè)其符合排放許可后就可以排放入環(huán)境中。

4 商用乏燃料后處理大廠工藝、設(shè)備研發(fā)改進(jìn)方向

商用后處理大廠(Purex流程)有70多年的歷史,溶劑萃取法占據(jù)了主導(dǎo)地位。但是隨著多樣性新型堆的出現(xiàn),商用乏燃料后處理大廠工藝需要做進(jìn)一步的改進(jìn),使其向更安全、可靠、更經(jīng)濟(jì)適用方向發(fā)展。以下幾個(gè)方向是商用后處理大廠工藝、設(shè)備研發(fā)中需要進(jìn)一步研究的方向[3,18-20]。

進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件,降低后處理成本,加大開展安全、無鹽的新型還原劑研究;電化學(xué)過程或低溫過程提高鈾、钚分離;改善镎、锝走向的控制;改善鋯、釕等裂片產(chǎn)物的去污;研究最佳工藝條件,以縮短流程減少循環(huán)數(shù)等。

研究開發(fā) Purex一體化流程,在提取U、Pu產(chǎn)品以及Np、Am等,對(duì)1AW的非α化處理,包括237Np、238Pu的分離提取;241Am、242Cm的分離等;提取 Sr、Cs同時(shí),降低1AW的放射性。

針對(duì)1AW開發(fā)超鈾元素的分離方法。超鈾元素α放射性強(qiáng),中子劑量大,研究在給定溶劑條件下元素的分離化學(xué)問題,解決溶劑的輻照穩(wěn)定性問題,研究耐α輻照的、分離效率高和可循環(huán)使用的萃取劑至關(guān)重要,研究它們的物理、化學(xué)性質(zhì)、萃取過程的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)以及優(yōu)化分離的各種條件選用等。

提高對(duì)處理高燃耗、短冷卻、強(qiáng)比放及多種類型乏燃料處理的適應(yīng)性和靈活性。對(duì)這類燃料后處理有一系列的問題,如溶劑本身的耐輻照性、溶劑的輻照降解產(chǎn)物的增加等,如不予以有效的處理,會(huì)惡化萃取分離過程,而比放高,將增加對(duì)裂片產(chǎn)物分離的復(fù)雜性。在萃取劑的選用上及工藝條件選擇上都將面臨新的挑戰(zhàn)。

加強(qiáng)對(duì) U、Pu、Np、Zr、Ru、Tc等主要核素在萃取體系中的基礎(chǔ)化學(xué)研究,建立數(shù)據(jù)庫,發(fā)展計(jì)算機(jī)模擬Purex過程的程序,建立過程模型;加強(qiáng)An、Ln分離的特效的絡(luò)合劑、新萃取劑研究等。

開發(fā)新型、高效分離設(shè)備及其他免維修關(guān)鍵設(shè)備,保證商用后處理大廠工藝穩(wěn)定運(yùn)行。

開展長(zhǎng)壽命超鈾元素的嬗變過程及處置等研究。

5 我國(guó)乏燃料后處理大廠的建設(shè)思路

目前我國(guó)乏燃料后處理技術(shù)相對(duì)落后,不能滿足未來我國(guó)核電發(fā)展的需要。國(guó)家一直支持相關(guān)的研究,用于后處理基礎(chǔ)工藝技術(shù)研究的中國(guó)原子能科學(xué)研究院的核燃料后處理實(shí)驗(yàn)設(shè)施正在建設(shè)中;我國(guó)后處理中試廠的建設(shè)進(jìn)度拖期,直到2010年3月開始熱調(diào)實(shí)驗(yàn),到2010年12月21日熱調(diào)試成功,但是仍存在很多問題急需解決。

在乏燃料后處理科研工藝流程方面我國(guó)取得了一些成果。首先采用無鹽試劑的先進(jìn)后處理流程研究取得顯著進(jìn)展。中國(guó)原子能科學(xué)研究院從20世紀(jì)90年代中期開始研究開發(fā)先進(jìn)后處理流程,集中在無鹽試劑的應(yīng)用上,分為還原劑和絡(luò)合劑兩大系列,采用無鹽試劑的先進(jìn)二循環(huán) Purex流程的優(yōu)點(diǎn)是,在鈾/钚分離段和钚純化循環(huán)段均使用二甲基羥胺-單甲基肼還原反萃钚,在鈾純化循環(huán)段使用乙異羥肟酸同時(shí)從鈾中去除钚和镎。通過模擬料液對(duì)整個(gè)化學(xué)分離流程進(jìn)行了數(shù)次實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架規(guī)模的溫實(shí)驗(yàn),主要工藝參數(shù)達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)[3]。其次,用于分離高放廢液中次錒系元素MA和長(zhǎng)壽命核素LLFP的三烷基氧膦(TRPO)萃取流程已完成熱試驗(yàn)[21]。TRPO流程是清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院在高放廢液分離研究方面成功開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的后處理流程。TRPO流程被認(rèn)為是世界上現(xiàn)有流程中最有前景的兩個(gè)流程之一。1992—1993年間,與德國(guó)超鈾元素研究所合作,完成了動(dòng)力堆后處理高放廢液TRPO熱驗(yàn)證實(shí)驗(yàn);“八五”和“九五”期間研究成功軍用高放廢液全分離流程(TRPO萃取分離超鈾元素、冠醚萃取分離鍶、亞鐵氰化鈦鉀離子交換分離銫);1996年完成了軍用高放廢液全分離流程熱驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),并取得很好效果,滿足了分離要求;“九五”期間,與中核集團(tuán)四〇四有限公司合作,進(jìn)行了全分離流程輔助工藝研究,探明了高放廢液中泥漿量和組成,進(jìn)行了泥漿洗滌試驗(yàn)。“十五”期間,“高放廢液分離技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備研究”項(xiàng)目被列入科技部863計(jì)劃,“高放廢液分離技術(shù)設(shè)備流程臺(tái)架試驗(yàn)研究”被列入國(guó)防科工委項(xiàng)目。2005年完成了臺(tái)架聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)并取得成功,最近在中核集團(tuán)四〇四有限公司完成了冷鈾和熱試驗(yàn)。最后,從2004年至2008年動(dòng)力堆燃料后處理中試廠順利完成了水試、酸試、冷鈾聯(lián)動(dòng)調(diào)試,于2010年3月開始熱調(diào)試,并于當(dāng)年12月21日取得熱調(diào)試成功,標(biāo)志著我國(guó)已掌握了動(dòng)力堆乏燃料后處理技術(shù)[3,22-23]。動(dòng)力堆乏燃料后處理中試廠由我國(guó)自主設(shè)計(jì)和建造,針對(duì)動(dòng)力堆乏燃料放射性更高、毒性更大、臨界安全問題更突出等特點(diǎn)的后處理廠,我國(guó)科技與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究與技術(shù)攻關(guān),成功設(shè)計(jì)建造了中試廠,攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題,為大型核燃料后處理廠的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供了重要參考。

為了與我國(guó)核電發(fā)展配套,確保核能的可持續(xù)發(fā)展,必須進(jìn)一步加大我國(guó)后處理技術(shù)研究開發(fā)力度,盡早啟動(dòng)乏燃料商用后處理大廠的建設(shè)。按照2020年我國(guó)核電裝機(jī)容量為7 000萬千瓦的發(fā)展目標(biāo),即核電裝機(jī)容量占總發(fā)電量比重將從目前的不到2%提高到7%左右,預(yù)計(jì)我國(guó)乏燃料累積存量到2020年將達(dá)到10 000 t,2030年將達(dá)到25 000 t[24]。到2025年我國(guó)要建成一座年處理能力為800 t的商用后處理廠。而乏燃料商用后處理廠的設(shè)計(jì)與建設(shè)是一項(xiàng)技術(shù)難度很大的復(fù)雜的系統(tǒng)工程,從設(shè)計(jì)、建造到調(diào)試、運(yùn)行的時(shí)間跨度為10到15年。我國(guó)的后處理技術(shù)的水平和能力相對(duì)落后。所以我國(guó)商用后處理廠的建設(shè)非常必須,也非常緊迫,應(yīng)盡早啟動(dòng)乏燃料商用后處理大廠的建設(shè),到2025年保質(zhì)保量地完成第一座年處理能力為800 t的商用后處理廠,同時(shí)啟動(dòng)后續(xù)第二座乏燃料商用后處理廠設(shè)計(jì)。

在后處理大廠的建設(shè)中我國(guó)必須依靠自主創(chuàng)新。我國(guó)具備了一定基礎(chǔ),國(guó)家配套設(shè)立乏燃料后處理基金、后處理大廠科研專項(xiàng)(50～60億),正在實(shí)施攻關(guān)商用后處理大廠部分關(guān)鍵技術(shù);中試廠熱試圓滿成功,未來準(zhǔn)備擴(kuò)展為200 t,積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為后處理大廠運(yùn)營(yíng)做準(zhǔn)備。在后處理大廠的建設(shè)中我國(guó)也要參與國(guó)際合作。通過國(guó)際咨詢、國(guó)際交流等合作方式引進(jìn)某些關(guān)鍵技術(shù)。但是從國(guó)外引進(jìn)技術(shù),不可控因素太強(qiáng),外方會(huì)開出“天價(jià)”,引進(jìn)之路比較漫長(zhǎng),即便能引進(jìn)技術(shù)也要到2027年才能建成一座年處理量800 t的大廠。

在后處理大廠的建設(shè)過程中,首先著手規(guī)劃設(shè)計(jì)并于6年內(nèi)(到2017年)完成年處理量400 t的示范廠的建設(shè)(在中試廠的基礎(chǔ)上采用中國(guó)原子能科學(xué)研究院研發(fā)的工藝流程、由中國(guó)核電工程公司在甘肅建設(shè)),同時(shí)在3年內(nèi)擴(kuò)展(到2014年)中試廠年處理量200 t;在示范廠的啟動(dòng)建設(shè)同時(shí)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)擇機(jī)啟動(dòng)年處理量800 t商用后處理廠的建設(shè),到2025年建成具有自主產(chǎn)權(quán)的一個(gè)800 t商用后處理廠。在示范廠和商用大廠的建設(shè)中我國(guó)應(yīng)運(yùn)用現(xiàn)代化的投資和管理方式進(jìn)行建設(shè)、管理和經(jīng)營(yíng),籌建股份制公司的形式,由國(guó)家投資資本金、企業(yè)公司籌資,其余不足部分由國(guó)家乏燃料基金補(bǔ)充,運(yùn)用現(xiàn)代化的投資和管理方式進(jìn)行管理和經(jīng)營(yíng),這樣到2025年我國(guó)年處理能力可達(dá)到1 400 t(含中試廠200 t),將基本滿足核電形勢(shì)發(fā)展的需要,逐步使我國(guó)在后處理技術(shù)、裝備和能力等方面能夠趕上世界先進(jìn)水平,從而取得參與國(guó)際合作與競(jìng)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。

在后處理廠的整體規(guī)劃下(到2025年處理能力為1 400 t),積極開展乏燃料后處理大廠研究和建設(shè)工作。首先,重點(diǎn)突破核心技術(shù),系列發(fā)展相關(guān)技術(shù)。乏燃料后處理大廠不單是一個(gè)廠設(shè)計(jì)的問題,而是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及核科學(xué)技術(shù)與工程、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、新材料技術(shù)、動(dòng)力技術(shù)、遙測(cè)/遙感技術(shù)、微電子技術(shù)、激光技術(shù)等,并且強(qiáng)調(diào)各學(xué)科之間的交叉互動(dòng)。其次,分批分次攻關(guān)乏燃料后處理大廠一系列關(guān)鍵技術(shù)。從總體規(guī)劃、建廠條件、廠址安全與適用性、環(huán)境影響、工藝技術(shù)路線、工藝過程分析測(cè)試與控制、設(shè)備制造、配套建設(shè)、廢物管理、投資估算與經(jīng)濟(jì)分析等方面分批分次重點(diǎn)攻關(guān),注重科技創(chuàng)新,要在突破關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵裝備上下功夫。最后,突破國(guó)際上傳統(tǒng)乏燃料后處理設(shè)計(jì)思路,勇于創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)乏燃料后處理大廠關(guān)鍵技術(shù)研制的可持續(xù)發(fā)展。

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Some Considerations on the Construction of a Spent Nuclear Fuel Reprocessing Plant in China

LI Jin-ying1,2,3,SHI Lei1,2,3,HU Yan-tao4
1.China Resources(Holdings)Co.,Ltd.,Beijing 100005,China;2.China Institute of Atomic Energy,Beijing 102413,China;3.CNNC Beijing Research Institute of Uranium Geology,Beijing 100029,China;4.China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100840,China

The history of spent nuclear fuel reprocessing was reviewed,inclusive of problems and actuality,principle and attaching.Key technologies of commercial spent fuel reprocessing plants were summarized,as well.Proposals on spent nuclear fuel reprocessing in China is described extensively.Some suggestions to the government and establishments are made as well.

spent nuclear fuel;spent fuel reprocessing plant

TL249

A

0253-9950(2011)04-0204-07

2010-11-15;

2011-02-28

李金英(1957—),男,河北衡水人,研究員,博士生導(dǎo)師,從事核燃料循環(huán)與材料管理與研究