核電廠乏燃料濕法與干法貯存技術對比研究及相關對策建議

劉 超，劉曉劍，廖 琳，潘亞蘭，何興波，張連勝

(中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029)

目前國際上乏燃料處理方式主要包括一次通過方式和后處理閉式循環(huán)方式。一次通過方式處理過程比較簡單，即乏燃料卸出反應堆之后不經(jīng)過后處理直接包裝放至深地質(zhì)處置庫中長期貯存，不再循環(huán)利用。由于乏燃料中含有大量未裂變核素、新生成的易裂變核素、未用完的可裂變核素、裂變產(chǎn)物和超鈾元素，一般要存放幾十萬年才能使其放射性衰減至天然鈾礦相當?shù)乃剑虼艘淮瓮ㄟ^方式在后續(xù)處理環(huán)節(jié)存在較大的工程和技術難度，另外世界上尚沒有一個國家建成并運行深地質(zhì)處置庫。后處理閉式循環(huán)是將乏燃料中約95%的鈾和1%的钚分離出來再次利用，剩下約4%的裂變產(chǎn)物和次錒系元素固化后進行深地質(zhì)處置，或分離嬗變后再進行處置。乏燃料后處理是一項敏感技術，技術門檻和費用都極高，目前只有少數(shù)國家掌握乏燃料后處理技術。由于世界上尚未建成可運行的乏燃料地質(zhì)處置庫，而乏燃料后處理能力遠小于乏燃料產(chǎn)生速率，因此無論是一次通過式還是后處理閉式循環(huán)式，乏燃料離堆貯存都是必要環(huán)節(jié)，離堆貯存對于保障核電的安全穩(wěn)定運行及乏燃料安全管理具有重要意義。

截至2018年年底，全球在運核電機組454臺，裝機容量超過4億千瓦，在建核電機組54臺，裝機容量5501萬千瓦。截至2015年年底，全球累積產(chǎn)生約40萬tHM乏燃料，并且以每年1.05萬tHM的速度遞增，預計到2020年全球?qū)⒗鄯e產(chǎn)生44.5萬tHM乏燃料。目前全世界相當一部分核電廠運行時間已超過20年，產(chǎn)生的乏燃料數(shù)量都已經(jīng)接近或超過核電廠在堆貯存水池容量，普遍面臨著乏燃料離堆貯存的問題。

截至2018年年底，我國在運核電機組44臺，裝機容量4 464萬千瓦，在建核電機組13臺，裝機容量1 403萬千瓦。根據(jù)我國核電發(fā)展規(guī)劃，到2020年，我國大陸在運核電裝機容量可達5 800萬千瓦，在建3 000萬千瓦；到2025年在運核電裝機容量將達9 000萬千瓦，2030年在運核電裝機容量將達1.3億千瓦。2020年我國核電廠累積產(chǎn)生乏燃料將達到7 000 tHM，2030年將達到27 000 tHM，而我國目前乏燃料離堆貯存能力不足1 300 tHM。相對核電廠快速增長的乏燃料產(chǎn)生量，目前我國乏燃料離堆貯存能力嚴重不足，成為制約我國核電安全穩(wěn)定發(fā)展的因素之一[1,2]。

本文通過調(diào)研主要核電國家核電廠乏燃料離堆貯存現(xiàn)狀，分析近年來核電廠乏燃料離堆貯存技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，研究并比較濕法貯存和干法貯存兩種乏燃料貯存技術的主要特點及差異，結合我國目前乏燃料離堆貯存現(xiàn)狀，對我國未來核電廠乏燃料貯存技術路線提出有益的思考與探索。

1 國際乏燃料離堆貯存情況[3,4]

1.1 美國[5-8]

美國核燃料循環(huán)政策實行“一次通過式”，對乏燃料采取先集中貯存后深地質(zhì)處置，不實行乏燃料后處理。美國1970 年啟動乏燃料與高放廢物地質(zhì)處置庫的選址工作，1987 年確定內(nèi)華達州的尤卡山為候選場址，由于當?shù)孛癖姺磳τ?010 年終止。2013 年1月，美國政府發(fā)布《乏燃料與高放廢物管理與處置策略》，2017 年1 月發(fā)布《乏燃料貯存或處置設施選址程序》草案，計劃到2021 年建立一座試驗性中間貯存設施，2025年建立一個較大型中間貯存設施；2048年建立一個核廢物地質(zhì)處置庫。在2048年核廢物地質(zhì)處置庫建成之前，美國將建設不同規(guī)模的乏燃料中間貯存設施，以實現(xiàn)對乏燃料的長期集中貯存。2016年、2017年美國核管會已分別收到在得克薩斯州安德魯斯和新墨西哥州建造乏燃料中間貯存設施的申請。

為解決部分核電廠在集中貯存設施建成之前的乏燃料貯存緊迫性問題，美國政府與各核電廠經(jīng)過長期溝通協(xié)商，采取在核電廠建設臨時干法貯存設施，以此作為集中貯存設施建成前的應急方案。目前美國核電廠卸出的乏燃料中，約70%在核電廠內(nèi)濕法貯存，其余在核電廠的干法貯存設施中貯存。

1.2 法國[9]

法國實行核燃料閉式循環(huán)路線，對乏燃料進行后處理，后處理回收的钚制成MOX燃料用于快堆和壓水堆。截至2018年年底，法國乏燃料產(chǎn)生量超過46 000 tHM，并且每年新產(chǎn)生約1 200 tHM。乏燃料除了在核電站水池在堆貯存外，其余主要在La Hague后處理設施的C、D、E和NPH乏燃料水池進行集中貯存，如表1所示。

表1 La Hague后處理廠的乏燃料貯存能力Table 1 Storage capacity of La Hague reprocessing plant

1.3 英國

英國實行核燃料閉式循環(huán)路線，對乏燃料實行后處理，建設并運行兩座乏燃料后處理廠，Magnox 后處理廠(1 500 tHM/a)和Thorp 后處理廠(1 200 tHM/a)。截至2014 年年底，英國核電廠累積產(chǎn)生乏燃料約為11 450 tHM，截至2016年年底，需長期貯存的乏燃料為7 000 tHM。英國乏燃料貯存采用濕法貯存和干法貯存兩種技術，最大的濕法貯存設施為塞拉菲爾德場址的乏燃料水池，容量7 600 tHM。英國在威爾法核電廠建有一座Magnox離堆地下干法貯存設施，貯存能力700 tHM。2013 年，英國開始建設塞茲韋爾B核電廠干法貯存設施，2016 年開始運行。

1.4 俄羅斯

俄羅斯采用核燃料閉式循環(huán)政策，實行乏燃料后處理。截至2018年年底，俄羅斯核電廠乏燃料產(chǎn)生量超過25 000 tHM，每年新產(chǎn)生乏燃料約880 tHM。俄羅斯乏燃料離堆貯存設施包括：(1)瑪雅克化學聯(lián)合企業(yè)的RT-1后處理廠配套的乏燃料貯存水池，容量為9 000 tHM；(2)開采化工聯(lián)合工企業(yè)(MCC)的RT-2后處理配套的乏燃料貯存水池，貯存容量為8 400 tHM；(3)開采化工聯(lián)合工企業(yè)(MCC)的INFDSF-2乏燃料集中干法貯存設施，用于RBMK-1 000、VVER-1000 堆型的乏燃料集中貯存，一、二期工程貯存容量分別為8 600 tHM和30 000 tHM，目前均已建成投運。

1.5 日本[10]

日本實行核燃料閉式循環(huán)政策，對乏燃料實行后處理。截至2018年年底，日本核電廠產(chǎn)生的乏燃料約為30 000 tHM，每年產(chǎn)生乏燃料約1 000 tHM。日本核電廠乏燃料通常在堆冷卻一段時間后，一部分運往法國和英國的后處理廠進行后處理，一部分運往日本的東海村或六所村后處理廠配套乏燃料水池進行集中貯存。日本核電廠在堆乏燃料貯存量已超過14 000 tHM，多個核電站在堆水池容量告急。東海村(容量140 tHM)和六所村后處理廠(容量3 000 tHM)配套乏燃料水池均已滿容。目前日本正在陸奧市建造一座集中離堆干法貯存設施，貯存能力5 000 tHM。根據(jù)有關協(xié)議，陸奧干法貯存設施內(nèi)的乏燃料50 年內(nèi)需全部轉移至后處理廠。

2 乏燃料離堆貯存技術研究

目前國際上乏燃料離堆貯存技術主要分為兩大類：濕法貯存和干法貯存。這兩類技術都是成熟、安全的乏燃料貯存技術，在國際上均有著廣泛應用[11-13]。

2.1 乏燃料濕法貯存[14]

濕法貯存是指將乏燃料貯存在建筑物水池中，通過循環(huán)冷卻系統(tǒng)驅(qū)動含硼水帶出乏燃料余熱、維持次臨界并提供輻射防護(見圖1)。乏燃料濕法貯存是一門成熟的技術，因為水具有良好的導熱性，屏蔽性和透明性，可以在直視條件下完成乏燃料在水池中的卸料、轉運等，但濕法貯存需要持續(xù)不間斷的提供外部能量驅(qū)動。

乏燃料濕法貯存水池格架早期采用寬松陣列方式，現(xiàn)在大多采用密集格架式。早期乏燃料貯存格架或吊籃系統(tǒng)典型貯存密度約為2.5 t/m2，對于采用特種鋼中子吸收劑的貯存格架，壓水堆雙層格架貯存密度可達到3.9 t/m2，沸水堆雙層格架貯存密度可達到4.7 t/m2。對于使用硼吸收劑的貯存格架，壓水堆雙層格架貯存密度可達5.2 t/m2，沸水堆雙層格架貯存密度可達5.8 t/m2。

圖1 乏燃料濕法貯存Fig.1 Spent fuel wet storage

卸料一周的乏燃料釋熱率可達100 kW/tHM，失去冷卻水的條件下，乏燃料組件1小時內(nèi)可升溫至約600 ℃，組件內(nèi)部He氣和其它裂變氣體壓力足以使鋯包殼破裂，造成裂變產(chǎn)物泄漏；若組件溫度達到900 ℃，則可能引起鋯包殼在空氣中燃燒。乏燃料組件的幾何尺寸、乏燃料水池中格架結構等對于乏燃料熱量導出有很大影響，在發(fā)生地震或者有容器墜入水池等情況時，乏燃料熱量導出將會發(fā)生變化，嚴重時可能導致燃料組件的變形和破損泄漏。因此，乏燃料濕法貯存對外部工程措施和能量驅(qū)動有著較高的要求，濕法貯存水溫一般控制在40 ℃ 以下，水池水面高過乏燃料7～9 m。

2.2 乏燃料干法貯存[15-17]

乏燃料干法貯存是將乏燃料貯存在乏燃料干法貯存設施中(由金屬內(nèi)膽和金屬容器/混凝土容器共同組成的封閉建筑)，通過空氣自然循環(huán)帶走乏燃料余熱。乏燃料干法貯存采取非能動安全設計，不需要外部能源驅(qū)動。干法貯存技術發(fā)展至今已有約三十年歷史，根據(jù)《乏燃料貯存和運輸容器的運行維護》(Operation and maintenance of spent fuel storage and transportation casks，IAEA TECDOC 1532)，國際乏燃料干法貯存技術大致可分為五種類型：混凝土筒倉式、混凝土臥式模塊式、金屬容器式、貯存庫式和干井式(見圖2～圖5)。在干法貯存技術應用早期，干法貯存容器僅具有單一貯存功能，不具備運輸功能。隨著干法貯存技術發(fā)展，干法貯存設施逐步發(fā)展成具有貯存/運輸雙功能的集成系統(tǒng)。目前國際上應用較廣泛的壓水堆干法貯存設施主要有三種：金屬容器式、混凝土筒倉式和混凝土臥式模塊式。典型的混凝土干法貯存容器設計采用雙層結構，兩層之間有保持一定間隙。內(nèi)層為金屬密封容器，容器內(nèi)部有金屬格架來固定乏燃料；外層采用厚混凝土來屏蔽乏燃料的放射性。外層混凝土容器上下部分有通風口，采用兩層間隙內(nèi)的空氣自然循環(huán)帶走內(nèi)層乏燃料釋放的衰變熱。貯存容器可以露天存放，也存放在廠房內(nèi)。近三十年來，國際上主要核電國家在探索乏燃料干法貯存技術，通過建設干法貯存設施，擴充核電站乏燃料貯存容量，加強乏燃料中間貯存應急能力建設。

圖2 混凝土臥式模塊式干法貯存設施Fig.2 Dry storage horizontal concrete module

圖3 混凝土立式筒倉式干法貯存設施Fig.3 Dry storage vertical concrete silo

圖4 金屬容器式干法貯存設施Fig.4 Dry storage vertical metal silo

圖5 貯存室式干法貯存設施Fig.5 Dry storage vaults

2.3 濕法貯存與干法貯存技術對比研究[4,18-20]

2.3.1 濕法貯存與干法貯存技術綜合對比

將乏燃料濕法貯存和干法貯存從密封性、輻射屏蔽、臨界安全、傳熱性、操作、運行、工期、經(jīng)濟性等方面進行了綜合對比，詳情如表2所示。

表2 乏燃料濕法和干法貯存技術對比Table 2 Comparison of fuel wet and dry storage technologies

2.3.2 濕法貯存與干法貯存優(yōu)劣性分析

(1) 技術可行性

從技術可行性上來講，濕法貯存和干法貯存都是成熟、可行的技術。濕法貯存在世界上有著廣泛應用，早期核電站對產(chǎn)生的乏燃料采用濕法貯存，格架密集改造更是將濕法貯存的應用推向新高度。乏燃料干法貯存于1986年在美國頒發(fā)第一張許可證，經(jīng)過三十多年發(fā)展，干法貯存技術在全世界得到廣泛應用。

(2) 安全可靠性

干法貯存技術采用非能動安全設計，通過空氣自然循環(huán)導出乏燃料熱量，確保貯存期間乏燃料組件和干法貯存設施的溫度低于設計限值。干法貯存設施擁有足夠的結構強度，在遭受自然或人為事故時仍能保持結構完整性，從而確保設施安全。目前全世界在運百余座干法貯存設施，在三十多年的運行歷史中，未曾見過發(fā)生過安全事故的報道。

濕法貯存將乏燃料長期存置于乏燃料水池中，通過循環(huán)冷卻水對乏燃料進行冷卻和屏蔽，其安全性一定程度上依賴外部的能量驅(qū)動系統(tǒng)，一旦乏燃料冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題，將可能造成嚴重后果。在抗超基準事故和恐怖襲擊能力方面，干法貯存優(yōu)于濕法貯存。

(3) 工程經(jīng)驗

目前全球400多座核電廠都配備有乏燃料貯存水池，同時有超過100座干法貯存設施，干法貯存和濕法貯存設施都有著豐富的工程建設及運行經(jīng)驗。

(4) 工期競爭性

濕法貯存設施從工程設計、設備采購、建設安裝以及系統(tǒng)調(diào)試全過程，其工程建設周期一般需要3～5年的時間。濕法貯存設施工程建設難點主要包括：水池、泵房、海工等工程量大，土石方爆破、負挖難度大，工藝系統(tǒng)復雜，需考慮與電廠的水/電/氣接駁，工程擴建難度較大等。

干法貯存設施從工程設計、容器采購、建設安裝到調(diào)試全過程工期約為3年，其工程建設特點包括：干法貯存設施擁有獨立廠房，對電廠安全運行影響小，建設工期相對較短，共用電廠基礎設施，可進行模塊化擴建，具有短平快等特征。從工期競爭性角度，干法貯存略優(yōu)于濕法貯存。

(5) 電廠接駁獨立性

濕法貯存設施一般在電廠現(xiàn)有廠房內(nèi)建設，其水、電、氣等直接與電廠接駁，對于電廠原有系統(tǒng)依賴性較大。干法貯存設施獨立于電廠現(xiàn)有廠房，僅與電廠共用基礎設施，具有一定的獨立性。在電廠接駁獨立性方面，干法貯存略優(yōu)于濕法貯存。

(6) 運行維護便利性

濕法貯存主要依靠乏燃料水池中的循環(huán)冷卻水連續(xù)導出衰變熱、屏蔽放射性，需要連續(xù)監(jiān)測乏燃料水池的水位和硼濃度，需要充分考慮主工藝系統(tǒng)(冷卻、水位監(jiān)測等系統(tǒng))和配套輔助系統(tǒng)(通風、電氣和輻射監(jiān)測等系統(tǒng))的冗余性、多樣性和可靠性，從而保障乏燃料貯存安全，運行維護相對復雜。

干法貯存采用非能動安全設計，依靠空氣自然循環(huán)散熱，冷卻系統(tǒng)無需外部電源支持。干法貯存容器本身能提供良好的輻射屏蔽，乏燃料貯存時可通過配置的監(jiān)測儀表進行放射性和溫度監(jiān)測，運行維護較為便利。在設施運行維護便利性方面，干法貯存優(yōu)于濕法貯存。

(7) 經(jīng)濟競爭性

根據(jù)美國與日本燃料循環(huán)專家編寫的《乏燃料中間貯存》(Interim storage of spent fuel)，以5 000 tU規(guī)模計，干法貯存總成本約為濕式貯存的54%，具體的經(jīng)濟性分析如表3所示。

表3 5000 tU規(guī)模下濕法和干法貯存的經(jīng)濟性分析Table 3 Economic Analysis of Wet and Dry Storage at 5000 tU Scale

不同規(guī)模水平下，濕法貯存和干法貯存經(jīng)濟性對比如圖6所示，由圖6可知：在3 000 tU、5 000 tU、10 000 tU規(guī)模水平下，由于規(guī)模效應，濕法貯存經(jīng)濟性不斷優(yōu)化，但是始終不如干法貯存。

圖6 不同規(guī)模水平下的濕法和干法貯存的經(jīng)濟性情況Fig.6 Economics of wet and drystorage at different scales

3 我國乏燃料離堆貯存技術路線分析

我國是世界上目前在建核電機組第一，在運核電機組第三的核電大國，乏燃料離堆貯存是我國核電長期安全可持續(xù)發(fā)展必不可少的重要環(huán)節(jié)，離堆貯存能力的規(guī)劃布局和加快實施，是我國核電發(fā)展必然面臨的一個重要問題。目前，我國乏燃料離堆貯存主要以濕法貯存為主，同時也在同步開展干法貯存相關實踐和工作。為更好推動我國乏燃料離堆貯存的技術發(fā)展和能力建設，確保核電安全穩(wěn)定運行和持續(xù)發(fā)展，筆者在此就我國乏燃料離堆貯存技術路線的優(yōu)化選擇和統(tǒng)籌布局進行初步分析，提出部分發(fā)展思路和建議，以期拋磚引玉。

3.1 堅持遠期與近期需求相結合

我國乏燃料離堆貯存規(guī)劃既要立足于長遠發(fā)展，又要解決當前面臨的實際問題。近期要盡快完善乏燃料管理的技術政策，加快乏燃料中間貯存能力建設，豐富我國乏燃料中間貯存技術手段，尤其是針對乏燃料離堆貯存需求非常緊迫的核電站，應以試點的方式加快開展乏燃料中間貯存設施建設。未來較長一段時間內(nèi)，重點根據(jù)我國乏燃料管理的頂層設計和中長期規(guī)劃，系統(tǒng)研究乏燃料離堆貯存管理的立法、政策和技術路線的統(tǒng)籌完善，制定乏燃料離堆貯存戰(zhàn)略規(guī)劃并推動實施。

3.2 堅持整體性、全局性與局部需求相結合

根據(jù)我國乏燃料離堆貯存需求，從整體性、系統(tǒng)性和核燃料循環(huán)全產(chǎn)業(yè)鏈角度出發(fā)，綜合乏燃料管理工作的可操作性、安全性和經(jīng)濟性，推進乏燃料離堆貯存，實現(xiàn)行業(yè)整體性發(fā)展。在乏燃料離堆貯存戰(zhàn)略制定過程中，要站在國家層面進行通盤考慮和頂層設計，實現(xiàn)乏燃料離堆貯存能力的長遠發(fā)展和整體提升，同時也應適當考慮局部核電站近期的迫切離堆需求，形成應急緩沖能力和方法，以整體保障我國核電的安全穩(wěn)定運行和可持續(xù)發(fā)展。

3.3 加快濕法和干法相結合、集中和分散相結合的乏燃料中間貯存能力建設

乏燃料中間貯存作為一種重要的緩沖方式，可以有效降低乏燃料后處理壓力，保障核電站安全運行和乏燃料安全管理，確保我國核燃料循環(huán)戰(zhàn)略穩(wěn)步實施。應將乏燃料中間貯存作為我國核燃料循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，開展乏燃料貯存能力建設，掌握先進的乏燃料貯存技術，豐富乏燃料貯存手段，完備乏燃料貯存能力。結合國際經(jīng)驗，以配套后處理需求為主要目的，應在商業(yè)后處理設施附近加快集中式乏燃料濕法貯存能力建設。同時，基于干法貯存在安全性、場址獲得性、靈活性、經(jīng)濟性、建設周期及運行便利性等優(yōu)點，應以乏燃料中長期安全貯存、為后處理和快堆發(fā)展提供緩沖為主要目的，加快集中和分散相結合的乏燃料干法貯存能力建設。

4 結論及展望

4.1 結論

乏燃料離堆貯存對于核電安全穩(wěn)定運行和發(fā)展有著重要的意義，目前世界主要核電大國實行乏燃料濕法和干法相結合的離堆貯存技術路線。乏燃料濕法貯存和干法貯存都是成熟、安全、可靠的貯存技術，在全世界范圍內(nèi)都有著廣泛的應用。乏燃料濕法貯存和干法貯存在技術可行性、安全可靠性、工程經(jīng)驗、工期競爭性以及經(jīng)濟性等方面各有優(yōu)劣。濕法貯存是乏燃料從反應堆卸載后，在開展任何其他乏燃料中間貯存方式前的最佳選擇。干法貯存從長時間暫存、安全性、經(jīng)濟性、建造及運行維護便利性等方面具有一定優(yōu)勢。

4.2 展望

隨著我國核電的迅速發(fā)展，為保障核電的安全穩(wěn)定運行和乏燃料長期安全管理，我國乏燃料離堆貯存也將會朝著遠期與近期需求相結合，整體與局部需要相結合，濕法與干法相結合，集中與分散相結合的方向發(fā)展。

致謝

本論文研究工作得到中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司李曉清、張輝、景順平、鐘響、黃奇、張翔等專家同事的支持與指導，在此表示衷心的感謝。