貧鈾管理的基本策略

韓滔 趙敏

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.101

摘 要：貧化六氟化鈾是具有放射性和較強(qiáng)化學(xué)毒性的核工業(yè)副產(chǎn)品。世界核工業(yè)誕生至今積存了大量的貧化六氟化鈾，對(duì)環(huán)境安全提出了挑戰(zhàn)。該文在研究世界主要鈾濃縮國(guó)家貧鈾管理實(shí)踐的基礎(chǔ)上，歸納提出了貧鈾管理的基本策略。該文側(cè)重分析了貧化六氟化鈾長(zhǎng)期貯存的安全性，以及穩(wěn)定和非穩(wěn)定形態(tài)貧鈾長(zhǎng)期貯存的對(duì)比經(jīng)濟(jì)性，對(duì)研究我國(guó)貧鈾管理的基本方向和技術(shù)規(guī)劃有很好的參考意義。

關(guān)鍵詞：貧鈾 管理 基本策略

中圖分類號(hào)：TL94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（a）-0101-02

貧鈾是核燃料加工產(chǎn)業(yè)鏈中鈾濃縮生產(chǎn)環(huán)節(jié)的主要副產(chǎn)品，其初級(jí)形態(tài)主要是貧化六氟化鈾（DUF6）；在乏燃料后處理環(huán)節(jié)也有一定量的貧鈾產(chǎn)生。貧鈾具有α放射性，有內(nèi)照射防護(hù)要求；貧化六氟化鈾的性質(zhì)活潑，極易與空氣中的水分反應(yīng)生成氟化氫氣體（酸霧）和氟化鈾酰顆粒，而其中氟化氫具有很強(qiáng)的化學(xué)毒性。因此，大量貧鈾以不穩(wěn)定形態(tài)（DUF6）長(zhǎng)期儲(chǔ)存，必然存在潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。貧鈾的安全管理也一直是各國(guó)核燃料產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要議題。

該文通過(guò)調(diào)研國(guó)外貧鈾管理實(shí)踐，歸納提出貧鈾管理的基本策略，并根據(jù)目前國(guó)內(nèi)貧鈾管理的實(shí)際情況，側(cè)重分析了貧化六氟化鈾長(zhǎng)期儲(chǔ)存的經(jīng)濟(jì)性和安全性，以期為國(guó)內(nèi)貧鈾管理決策提供有益的參考。

1 國(guó)外貧鈾管理實(shí)踐概述

全球鈾濃縮工業(yè)化生產(chǎn)至今，累積存放了約200萬(wàn)t貧鈾[1，2]，且多以貧化六氟化鈾的形態(tài)暫存在鋼制容器中。各主要鈾濃縮國(guó)家對(duì)貧鈾的管理也先后采取了多樣化的策略。

（1）法國(guó)。1984年，在法國(guó)歐洲氣體擴(kuò)散廠（EURODIF）投運(yùn)兩年后，首批共兩套GOGEMA工業(yè)脫氟機(jī)組（生產(chǎn)線）在皮爾埃拉特開(kāi)始投運(yùn)。每條生產(chǎn)線年處理能力約5 000 tDUF6，轉(zhuǎn)化產(chǎn)物為八氧化三鈾（U3O8）和氫氟酸（HF）。1993年，第二批同規(guī)模兩條生產(chǎn)線投運(yùn)，總處理能力達(dá)到20 000 tDUF6/a。

法國(guó)的脫氟技術(shù)采用干法工藝，UF6氣體在干法爐中經(jīng)兩次水解直接得到U3O8粉末，并使用鋼制DV70容器盛裝。處理后的貧鈾部分存放在生產(chǎn)廠，另一部分則被運(yùn)往法國(guó)中部已關(guān)閉的貝鋅礦儲(chǔ)存[3]。目前，法國(guó)的貧鈾處理能力除滿足國(guó)內(nèi)需求外，還有5 000 tU/a左右的富余。

（2） 美國(guó)。最初美國(guó)把從20世紀(jì)40年代中期以來(lái)產(chǎn)生的DUF6作為一種資源存放在帕杜尤卡、派克頓和橡樹(shù)嶺三個(gè)鈾濃縮廠址，且全部采用露天存放。1999年美國(guó)能源部提出有關(guān)貧鈾立法法案，確定將DUF6轉(zhuǎn)化成更加穩(wěn)定的化學(xué)形式。2004年美國(guó)政府批準(zhǔn)在帕杜尤卡和樸茨茅斯分別建造一座DUF6轉(zhuǎn)化設(shè)施，項(xiàng)目采用法國(guó)干法處理技術(shù)，年處理能力20 000 tDUF6。目前，上述兩個(gè)廠址的貧鈾處理設(shè)施均已投產(chǎn)。

在貧鈾再利用方面，2007年前后國(guó)際鈾價(jià)處于高位時(shí)，美國(guó)能源部曾重新研究其貧鈾管理策略并考慮通過(guò)銷售部分高豐度貧鈾獲利，同時(shí)提出了不加工直接出售、再濃縮后出售和不定期儲(chǔ)存三種策略，其中再濃縮活動(dòng)于2012年前后已付諸實(shí)施，但持續(xù)時(shí)間較短。目前美國(guó)持有的235U豐度超過(guò)0.4%的貧鈾約14萬(wàn)t[3]。

（3）俄羅斯。2005年，俄羅斯TENEX公司和法國(guó)阿海琺集團(tuán)開(kāi)始正式合作建設(shè)本國(guó)的貧鈾處理設(shè)施。該設(shè)施位于克拉斯諾亞爾斯克的鈾濃縮廠區(qū)，共建設(shè)兩條貧鈾脫氟生產(chǎn)線，單線產(chǎn)能5 000 tDUF6/a[4]。2011年左右該設(shè)施全面投產(chǎn)。

（4）URENCO。從1996年開(kāi)始，URENCO陸續(xù)將其持有的部分貧鈾運(yùn)往俄羅斯再濃縮處理（總量約80 000 tUF6）和出口至法國(guó)進(jìn)行穩(wěn)定化處理（總量約23 000 tUF6）[3]。歐洲貧鈾轉(zhuǎn)移活動(dòng)在2010年左右已全面中止，且留存在俄羅斯的二次尾料目前還面臨著退返爭(zhēng)議的問(wèn)題。

2009年，URENCO公司決定在英國(guó)卡彭赫斯特建設(shè)兩條單線處理能力5 000 tDUF6/a的貧鈾管理設(shè)施（TMF），該設(shè)施預(yù)計(jì)在2017年投產(chǎn)。同時(shí)，URENCO德國(guó)濃縮廠還計(jì)劃將現(xiàn)有的DUF6出口至法國(guó)進(jìn)行穩(wěn)定化處理，以降低儲(chǔ)存風(fēng)險(xiǎn)。目前，URENCO美國(guó)廠址生產(chǎn)的貧鈾則通過(guò)新墨西哥州新建的脫氟設(shè)施進(jìn)行處理，年處理能力同樣為2×5 000 tDUF6/a。

2 國(guó)外貧鈾管理基本策略歸納

綜合上述調(diào)研情況，全球主要鈾濃縮國(guó)家早期都采取以UF6形態(tài)直接儲(chǔ)存的管理策略，發(fā)展至目前都已先后建立了本國(guó)的貧鈾穩(wěn)定化處理設(shè)施，且以法國(guó)的干法轉(zhuǎn)化技術(shù)為主要技術(shù)路線，處理后的貧鈾形態(tài)為U3O8。相關(guān)國(guó)家采用的具體管理策略包括：以UF6形態(tài)長(zhǎng)期儲(chǔ)存、間接轉(zhuǎn)移（出口再濃縮）、國(guó)內(nèi)再濃縮、出口或國(guó)內(nèi)穩(wěn)定化處理。歸納得出貧鈾管理的基本策略有三種，即長(zhǎng)期儲(chǔ)存、再濃縮處理和穩(wěn)定化處理。

3 貧化六氟化鈾長(zhǎng)期儲(chǔ)存的安全性分析

目前，國(guó)內(nèi)外鈾濃縮行業(yè)儲(chǔ)存DUF6的專用容器主要有48G、48X、國(guó)標(biāo)2.5m3等幾種專用鋼制容器，其壁厚在8～16 mm。根據(jù)美國(guó)六氟化鈾工業(yè)操作有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]，六氟化鈾專用容器的允許腐蝕裕度如下：

美國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)曾對(duì)儲(chǔ)存DUF6的鋼制容器進(jìn)行過(guò)腐蝕試驗(yàn)，得出在一般露天存放的條件下，容器內(nèi)外表面腐蝕速率合計(jì)約0.043 mm/a，且外表面腐蝕要強(qiáng)于內(nèi)表面。國(guó)內(nèi)也曾先后多次就DUF6鋼制容器的腐蝕問(wèn)題進(jìn)行過(guò)研究，最后得出容器的平均腐蝕速率約為0.04 mm/a，與國(guó)外相關(guān)研究結(jié)果基本一致[4]。根據(jù)這一腐蝕速率和表1中容器的允許腐蝕裕度可以得出，48X、48Y型容器的安全存放年限約為70年，48G型容器的安全存放年限約為40年。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)存貧鈾主要集中在近15年內(nèi)生產(chǎn)，容器的安全性還有相當(dāng)?shù)脑６?。在貧鈾?chǔ)存設(shè)施安全性可保障、輻射監(jiān)測(cè)規(guī)范開(kāi)展的前提下，國(guó)內(nèi)貧鈾采取非穩(wěn)定形態(tài)直接儲(chǔ)存的風(fēng)險(xiǎn)總體可控。

4 長(zhǎng)期儲(chǔ)存策略的經(jīng)濟(jì)性導(dǎo)向

貧鈾的長(zhǎng)期儲(chǔ)存管理，是指在特定的場(chǎng)所以某一形態(tài)長(zhǎng)期存放的管理策略，并分為穩(wěn)定形態(tài)儲(chǔ)存和非穩(wěn)定形態(tài)儲(chǔ)存兩種方式。長(zhǎng)期儲(chǔ)存的根本前提是安全風(fēng)險(xiǎn)可接受，在此前提下，對(duì)于上述兩種儲(chǔ)存方式，還有著明確經(jīng)濟(jì)性導(dǎo)向。

（1）對(duì)于以非穩(wěn)定形態(tài)（DUF6）長(zhǎng)期儲(chǔ)存的方式：如果新建用于DUF6長(zhǎng)期儲(chǔ)存的場(chǎng)址，48X型容器按雙層碼放、每隔兩列預(yù)留應(yīng)急和巡檢通道，采用有頂式庫(kù)房并建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)。參考國(guó)內(nèi)現(xiàn)有項(xiàng)目的建設(shè)投資，測(cè)算可得到：每噸DUF6直接儲(chǔ)存占地約1 m2，廠址平均造價(jià)約0.15萬(wàn)元/m2；場(chǎng)址設(shè)計(jì)年限按50年考慮，房建物使用年折舊成本約0.003萬(wàn)元/t DUF6；容器成本約0.7萬(wàn)元/t DUF6，其安全使用年限按70年考慮，容器使用年折舊成本約0.01萬(wàn)元/t DUF6；設(shè)施運(yùn)營(yíng)費(fèi)用（主要為人工及修理費(fèi)），按每20 000 t DUF6的廠址定員10人（人均人工成本按15萬(wàn)元/a計(jì)）、設(shè)施維護(hù)費(fèi)按200萬(wàn)元/a考慮，得到年運(yùn)營(yíng)成本約0.017 5萬(wàn)元/a。綜合以上要素，非穩(wěn)定形態(tài)（DUF6）長(zhǎng)期儲(chǔ)存的年綜合管理成本約0.044萬(wàn)元/t U。

（2）對(duì)于以穩(wěn)定形態(tài)（U3O8）長(zhǎng)期儲(chǔ)存的方式：如果新建用于U3O8長(zhǎng)期儲(chǔ)存的場(chǎng)址，采用DV70型容器按5層碼放，采用經(jīng)一般硬化的露天場(chǎng)地存放。經(jīng)估算：滿足載荷條件的準(zhǔn)永久性（使用年限大于100年）場(chǎng)地綜合建設(shè)造價(jià)約0.05萬(wàn)元/m2，折合場(chǎng)地造價(jià)約0.003萬(wàn)元/t U3O8；容器平均造價(jià)約0.06萬(wàn)元/t U3O8；永久場(chǎng)址可采取封蓋處理，設(shè)施運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用基本可忽略。

根據(jù)相關(guān)預(yù)期，到2020年國(guó)內(nèi)貧鈾產(chǎn)量將可能達(dá)到12 000 tU/a[6]。如果采取非穩(wěn)定形態(tài)儲(chǔ)存，年綜合管理成本約530萬(wàn)元；70年容器安全使用期總管理成本（折現(xiàn)后）約37 000萬(wàn)元。如果采取穩(wěn)定形態(tài)儲(chǔ)存，則場(chǎng)地和容器一次性投資約750萬(wàn)元，安全儲(chǔ)存時(shí)間可超過(guò)100年。

顯然，采取穩(wěn)定形態(tài)長(zhǎng)期儲(chǔ)存的策略有明顯的對(duì)比經(jīng)濟(jì)性，這也是國(guó)際主要鈾濃縮國(guó)家先后建設(shè)貧鈾處理設(shè)施的重要原因。毫無(wú)疑問(wèn)，穩(wěn)定形態(tài)長(zhǎng)期儲(chǔ)存也有更好的安全性。對(duì)國(guó)內(nèi)而言，加快貧鈾穩(wěn)定化處理技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，具有很好的經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)調(diào)研和歸納總結(jié)，貧鈾安全管理的基本策略主要有三種：長(zhǎng)期儲(chǔ)存、再濃縮處理和穩(wěn)定化處理。目前國(guó)外主要鈾濃縮國(guó)家都已逐步放棄以DUF6形態(tài)長(zhǎng)期儲(chǔ)存的管理策略，并多數(shù)采用法國(guó)的干法轉(zhuǎn)化技術(shù)建立起了本國(guó)的貧鈾穩(wěn)定化處理設(shè)施，實(shí)現(xiàn)貧鈾以穩(wěn)定形態(tài)的長(zhǎng)期儲(chǔ)存和安全管理。

從容器使用的安全性來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)貧鈾管理采取以DUF6形態(tài)長(zhǎng)期儲(chǔ)存的策略是可接受的；但從策略經(jīng)濟(jì)性和長(zhǎng)期安全性來(lái)看，加快對(duì)貧鈾穩(wěn)定化技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，勢(shì)在必行。

參考文獻(xiàn)

[1] Gerald Boyd（DOE）.Depleted Uranium Hexafluoride （DUF6） Storage， Conversion， and Management in the U.S.[R].St. Petersburg， Russia， September 24th，2003.

[2] MD Laughter.Profile of World Uranium Enrichment Programs-2009[R].Ornl/tm，2007.

[3] 王偉剛，韓滔.我國(guó)貧鈾安全管理中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃研究報(bào)告[R].北京：中國(guó)核燃料有限公司，2014.

[4] 陳芳流，劉浩潔，吳秀花，等.我國(guó)貧鈾處理技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究[R].北京：中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司核燃料部，2007.

[5] 程寶璧，樊保柱.美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺工廠六氟化鈾實(shí)用操作手冊(cè)[M].北京：原子能出版社，1995.

[6] Hui Zhang.Chinas Uranium Enrichment Capacity： Rapid Expansion to Meet Commercial Needs[R].IAEA， August，2015.