淺談核電廠乏燃料

李若瑜

摘要：核能是一種安全清潔能源，但是核電廠產(chǎn)生的乏燃料對(duì)核電廠的安全性存在著威脅，如何對(duì)待以及處理乏燃料是各有核國(guó)家必須面對(duì)的問(wèn)題。本文對(duì)乏燃料處理方式以及我國(guó)乏燃料管理現(xiàn)狀進(jìn)行討論，提出了目前存在的問(wèn)題和對(duì)未來(lái)的展望。

一、引言

核能是一種低碳、高效、安全的清潔能源，核電廠乏燃料的后處理對(duì)優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。核電廠的動(dòng)力核心反應(yīng)堆，是乏燃料產(chǎn)生的地方，在反應(yīng)堆中運(yùn)行一段時(shí)間后卸下來(lái)的燃料元件稱(chēng)作乏燃料。乏燃料其中96%是有用核材料（94.5%鈾238，0.8%鈾235，0.8%钚239），真正的核廢料只占4%左右。

二、乏燃料處理方式

目前國(guó)際上對(duì)于乏燃料處理有一次通過(guò)和后處理閉式循環(huán)兩種方式。一次通過(guò)方式也叫開(kāi)式燃料循環(huán)方式，其處理過(guò)程簡(jiǎn)單，將卸出的乏燃料不經(jīng)處理直接包裝，然后放置到地質(zhì)條件合適的處置點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期貯存，不再循環(huán)利用。該方式在鈾價(jià)較低的情況下更經(jīng)濟(jì)，利于防止核擴(kuò)散。由于乏燃料仍具較大的放射性，要使其放射性衰減至天然鈾礦的水平需存放幾十萬(wàn)年[2]，所以一次通過(guò)方式的后續(xù)處理環(huán)節(jié)還存在較大的工程和技術(shù)難度，而且漫長(zhǎng)的存放時(shí)間會(huì)帶來(lái)許多不確定因素，對(duì)環(huán)境安全存在長(zhǎng)期威脅。使用該方式的代表國(guó)家有西班牙、芬蘭、瑞典等。

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(lái)再次利用，將剩余約4%的真正核廢料進(jìn)行深地質(zhì)處置，或分離嬗變后再進(jìn)行處置[2]。代表國(guó)有法國(guó)、日本、俄羅斯等。我國(guó)在20世紀(jì)80年代便確立了“熱堆-快堆-聚變堆”三步走核能發(fā)展戰(zhàn)略和“中試規(guī)模-示范規(guī)模-工業(yè)規(guī)?！钡姆θ剂虾筇幚懋a(chǎn)業(yè)發(fā)展路線，并堅(jiān)持乏燃料后處理的國(guó)策。一般壓水堆核電廠鈾資源的利用率很低，如果將后處理后的鈾在壓水堆中再循環(huán)利用一次，即可節(jié)約25%的天然鈾，如果把后處理得到的貧鈾用于快堆，鈾利用率可提高到60%-70%[1]，鈾資源的利用率提高了幾十倍。另一方面，高放廢物的體積大幅減少，可減小貯存壓力。乏燃料后處理存在很大優(yōu)勢(shì)，理想的多次閉式燃料循環(huán)可大大減低人們對(duì)天然鈾的依賴(lài)。

當(dāng)然也有一部分國(guó)家如阿根廷、韓國(guó)、巴西等選擇“等等看”，它們對(duì)乏燃料處理還沒(méi)有明確的決策，需根據(jù)研究進(jìn)展延后處理。

三、乏燃料后處理環(huán)節(jié)

由于反應(yīng)堆卸出的乏燃料具有很高的釋熱量和放射性，在乏燃料水池中儲(chǔ)存至少5年后才能運(yùn)輸?shù)饺萘枯^大的離堆暫存設(shè)施中。因此乏燃料后處理涉及的貯存、運(yùn)輸、后處理、高放廢物深地質(zhì)處置等環(huán)節(jié)的安全管理也至關(guān)重要。

乏燃料貯存

乏燃料貯存方式有濕法貯存和干法貯存兩種。乏燃料從反應(yīng)堆卸載出來(lái)后，首先應(yīng)貯存在核電廠配套的乏燃料水池中，乏燃料水池中的水可以吸收大量的釋熱量。但是由于乏燃料后處理能力遠(yuǎn)小于乏燃料產(chǎn)生速率，乏燃料水池只能暫時(shí)貯存，所以乏燃料離堆貯存是我們應(yīng)必須重視的環(huán)節(jié)。乏燃料冷卻到一定程度后需移出乏燃料水池，在最終方案確定前，放入濕法中間貯存設(shè)備或干式貯存桶進(jìn)行長(zhǎng)期貯存。國(guó)際上乏燃料濕法貯存和干法貯存技術(shù)都比較成熟。乏燃料從反應(yīng)堆卸出后到開(kāi)展其他中間貯存方式的最佳選擇是濕法貯存;而從長(zhǎng)時(shí)間暫存、安全性、經(jīng)濟(jì)性、建造及運(yùn)行維護(hù)便利性等方面來(lái)看干法貯存更具優(yōu)勢(shì)[2]。目前我國(guó)主要以濕法貯存為主，雖然正在開(kāi)展干法貯存相關(guān)實(shí)踐和工作，但其建設(shè)水平還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

乏燃料運(yùn)輸

乏燃料運(yùn)輸是乏燃料處理不可缺失的一部分，連接著乏燃料貯存設(shè)施、后處理廠和高放廢物深地質(zhì)處置庫(kù)。目前我國(guó)核電廠主要分布在東南沿海地區(qū)，而乏燃料處理廠位于西北深內(nèi)陸地區(qū)。加上十三五期間全國(guó)核電廠所需外運(yùn)的乏燃料總數(shù)將超過(guò)3000組，約為十二五期間的5倍多，這使得乏燃料的運(yùn)輸需求急劇增加。當(dāng)前乏燃料公路，鐵路，海路的多式聯(lián)運(yùn)體系，正緊鑼密鼓地推進(jìn)，這將為未來(lái)我國(guó)核電廠乏燃料的大規(guī)模運(yùn)輸提供更為經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)輸保障。

乏燃料后處理

乏燃料運(yùn)輸?shù)胶筇幚韽S之后，先進(jìn)行乏燃料元件外殼的切割去除，由于乏燃料的放射性非常高，遠(yuǎn)距切割裝置能有效地解決在后處理廠中操作人員安全性的問(wèn)題，其切割過(guò)程的主要步驟是先利用視頻系統(tǒng)調(diào)整支撐臂的位置，然后用夾緊模塊夾住目標(biāo)結(jié)構(gòu)，接著啟動(dòng)金剛石線鋸切割，切割后的乏燃料進(jìn)行濕法處理，其被硝酸溶液溶解后進(jìn)行下一步流程。

目前乏燃料的后處理工藝，主要分為濕法處理和干法處理。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)在溶液中進(jìn)行提取，一個(gè)在高溫?zé)o水環(huán)境下進(jìn)行處理，商用較多的是PUREX流程，其工藝是濕法處理。在乏燃料后處理上，中國(guó)政府建立了核電廠乏燃料處理處置基金制度，并設(shè)立乏燃料后處理科研專(zhuān)項(xiàng)，盡可能地讓乏燃料后處理工作全面提速。[3]

高放廢物深地質(zhì)處置

乏燃料后處理所產(chǎn)生的廢液及其固化體以及不進(jìn)行后處理直接處置的乏燃料元件，放射性活度濃度高、釋熱量大、毒性大，含有長(zhǎng)半衰期核素，其潛在危害持續(xù)時(shí)間達(dá)百萬(wàn)年之久，稱(chēng)為高放廢物。高放廢物通過(guò)玻璃固化，采用玻璃固化體加廢物罐加緩沖材料的三重工程屏障，使其有效阻水并防止核素遷移。處理后的高放廢物被處置在地質(zhì)合適的處置點(diǎn)，使其與人類(lèi)的生存環(huán)境隔離。

關(guān)于高放廢物安全處置問(wèn)題，我國(guó)明確了“選址、地下實(shí)驗(yàn)、處置庫(kù)建造”三步走戰(zhàn)略，提出2050年最終建成高放廢物處置庫(kù)的目標(biāo)。

四、我國(guó)乏燃料處理現(xiàn)狀

多個(gè)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電的成功研發(fā)，意味著我國(guó)核電技術(shù)水平已經(jīng)成熟，與之相應(yīng)的核循環(huán)后端即乏燃料后處理技術(shù)卻不能與之匹配，核電的建設(shè)和發(fā)展需配套的核燃料循環(huán)設(shè)施來(lái)支持，因此后處理能力建設(shè)的滯后成為制約我國(guó)核電發(fā)展的重大因素。與后處理相關(guān)的高放廢物玻璃固化，遠(yuǎn)程維修和自動(dòng)控制方面，我國(guó)技術(shù)能力也有待提高，剪切機(jī)、溶解器、钚尾端等設(shè)備也需完善。

我國(guó)已建的離堆乏燃料濕法貯存水池?zé)o法滿足離堆貯存需求，到2030年，全國(guó)各核電廠卸出的乏燃料累計(jì)將達(dá)到23500噸，離堆貯存需求達(dá)到15000噸以上[4]。大部分乏燃料只能暫存于核電廠配套的在堆貯存水池中，像秦山、田灣、大亞灣等已經(jīng)運(yùn)行多年核電廠的在堆水池剩余貯存量即將無(wú)法滿足貯存需求。干法后處理技術(shù)與美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家還有較大差距。乏燃料離堆貯存能力的短缺可能會(huì)給乏燃料管理帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)和威脅。

我國(guó)核電現(xiàn)狀，如機(jī)型眾多，乏燃料品種多樣，核電廠布局零散等，使得乏燃料的運(yùn)輸面臨許多困難。而運(yùn)輸相關(guān)的法律法規(guī)體系和事故應(yīng)急體系也有待完善。

五、展望

乏燃料離堆貯存能力是核電能否長(zhǎng)期安全發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。基于干法貯存有安全可靠性、場(chǎng)址獲得性、靈活性，經(jīng)濟(jì)性、建設(shè)周期短及運(yùn)行維護(hù)便利性等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)以乏燃料長(zhǎng)期安全貯存為目的，加快乏燃料干法貯存能力建設(shè)，加快濕法和干法相結(jié)合的貯存技術(shù)建設(shè)，以此來(lái)保障乏燃料長(zhǎng)期的安全管理和核電的穩(wěn)定運(yùn)行。

我國(guó)是世界上在建核電機(jī)組數(shù)和在運(yùn)行核電機(jī)組數(shù)都位居前茅的核電大國(guó)，我國(guó)核電發(fā)展水平不斷提高，正逐步邁向核電強(qiáng)國(guó)的行列。在核電發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)保持乏燃料處理技術(shù)的跟進(jìn)，要加強(qiáng)后處理能力及產(chǎn)業(yè)的建設(shè)，希望未來(lái)不久，我國(guó)乏燃料后處理能力不僅能解決我國(guó)自身需求，也可以為我國(guó)核電出口提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉敏，石安琪，李志華，石磊，張紅林，李林蔚，王鵬飛.走進(jìn)核電廠乏燃料.

[2]劉超，劉曉劍，廖琳，潘亞蘭，何興波，張連勝.核電廠乏燃料濕法與干法貯存技術(shù)對(duì)比研究及相關(guān)對(duì)策建議.

[3]張健華.促進(jìn)中國(guó)核能可持續(xù)發(fā)展，共創(chuàng)世界核能發(fā)展美好未來(lái).

[4]沈潔鋒.淺談我國(guó)乏燃料管理現(xiàn)狀.

南華大學(xué) 湖南省衡陽(yáng)市 421001