全球乏燃料與高放廢物管理現(xiàn)狀

全球32 個(gè)國家目前擁有在運(yùn)核電機(jī)組439臺(tái)，總裝機(jī)容量為3.92 億千瓦。全球截至2020年底累計(jì)產(chǎn)生約40萬噸乏燃料，其中三分之一接受了后處理，另外三分之二處于貯存狀態(tài)。乏燃料數(shù)量目前在以每年約7000 噸的速度增加。乏燃料安全管理直接影響著核電的可持續(xù)發(fā)展。

1 各國核燃料循環(huán)策略

總體而言，世界各國的核燃料循環(huán)策略可分為兩種，即開式和閉式：前者將乏燃料視為高放廢物，直接進(jìn)行深層地質(zhì)處置；后者將乏燃料視為一種寶貴資源，對(duì)其進(jìn)行后處理，回收鈾和钚，然后用于制造新燃料元件。

在全球核電國家中，俄羅斯、法國、日本和印度一直致力于執(zhí)行閉式核燃料循環(huán)政策，在本國建設(shè)了乏燃料后處理廠。美國目前執(zhí)行開式核燃料循環(huán)政策，但擁有小規(guī)模后處理能力，并一直積極開展閉式核燃料循環(huán)技術(shù)研究。美國能源部核能辦公室在2021 年初發(fā)布的《戰(zhàn)略愿景》報(bào)告中明確提出，將在各種先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)的商業(yè)化過程中，持續(xù)資助與它們配套的核燃料循環(huán)技術(shù)研發(fā)，并于2030 年對(duì)先進(jìn)反應(yīng)堆燃料循環(huán)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

英國采取閉式核燃料循環(huán)策略，已建成和運(yùn)營兩座商業(yè)后處理廠。但目前英國政府并不強(qiáng)制要求對(duì)乏燃料進(jìn)行后處理。

其他核電國家大部分選擇了開式核燃料循環(huán)策略，如加拿大、德國、芬蘭、匈牙利、西班牙、瑞典、瑞士等國。而荷蘭、意大利等國雖選擇閉式核燃料循環(huán)策略，但乏燃料后處理是依靠他國進(jìn)行。另外一些國家，如比利時(shí)、韓國、烏克蘭等國則持觀望態(tài)度，未選定循環(huán)策略，待以后決定。

2 乏燃料管理

截至2020 年底，世界各國累計(jì)產(chǎn)生了約40萬噸乏燃料，且乏燃料數(shù)量正在以每年7000 噸的速度增加。在已產(chǎn)生的40 萬噸乏燃料中，約12.87萬噸已接受后處理，另外約30.13萬噸處于貯存狀態(tài)，等待后續(xù)處理或處置。不同的核燃料循環(huán)策略，其乏燃料管理要求不同。

2.1 乏燃料貯存

乏燃料在從反應(yīng)堆卸出后通常需要在核電廠配套的貯存水池中冷卻5～8年，使其中的短壽命裂變產(chǎn)物基本衰變完，放射性強(qiáng)度大幅度降低。之后，乏燃料將轉(zhuǎn)移到離堆貯存設(shè)施（根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)的定義，在反應(yīng)堆廠房外的貯存設(shè)施均為離堆貯存設(shè)施，無論該設(shè)施是否位于廠區(qū)內(nèi)）進(jìn)行中間貯存，以待后續(xù)進(jìn)行后處理或直接深層地質(zhì)處置。

目前在運(yùn)核電廠的設(shè)計(jì)壽期為40～60年，而配套的貯存水池通常只能貯存核電廠在10～20年運(yùn)行期間產(chǎn)生的乏燃料。因此，無論采取開式還是閉式核燃料循環(huán)策略，在將乏燃料送入深層地質(zhì)處置庫處置或進(jìn)行后處理之前，都需在離堆設(shè)施中進(jìn)行中間貯存。貯存期為幾年到幾十年不等，主要取決于所采用的核燃料循環(huán)策略。

中間貯存方式包括濕法和干法兩種。濕法貯存發(fā)展較早，通常在廠房內(nèi)建造水池，將乏燃料放置在水下的貯存格架中，具有技術(shù)簡單成熟、冷卻能力強(qiáng)、貯存密度高等特點(diǎn)，可作為后處理廠的配套設(shè)施。干法貯存是將乏燃料放置在空氣或惰性氣體氛圍中，依靠氣體對(duì)流進(jìn)行冷卻，相比而言，其設(shè)施建造費(fèi)用較高，優(yōu)點(diǎn)是具有易擴(kuò)展性、建造工期短、運(yùn)維簡單、費(fèi)用低。由于全球目前還沒有乏燃料最終處置庫建成投運(yùn)，且商業(yè)后處理廠的產(chǎn)能有限，采用干法貯存的乏燃料數(shù)量越來越多。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，干法貯存的乏燃料在總量中的占比已從2013年的24%增加至2016年的30%。

需要注意的是，中間貯存僅是乏燃料的暫時(shí)管理方法，并非最終處置方法。隨著中間貯存時(shí)間的延長，乏燃料安全管理風(fēng)險(xiǎn)會(huì)上升，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致核燃料循環(huán)總成本增加，甚至?xí)p害各國核能發(fā)展的長期利益。

2.2 乏燃料后處理設(shè)施

目前，全世界具備后處理能力的國家屈指可數(shù)，擁有大規(guī)模商業(yè)后處理設(shè)施的國家包括法國、英國、俄羅斯和日本。印度擁有四座小型后處理設(shè)施，美國也擁有一定的后處理能力。

法國擁有最大規(guī)模的商業(yè)后處理能力。阿格擁有2 座產(chǎn)能均為每年800噸重金屬的后處理廠，不僅處理本國乏燃料，還為其他國家提供后處理服務(wù)。值得注意的是，法國還實(shí)現(xiàn)了后處理技術(shù)的出口，幫助日本建設(shè)商業(yè)后處理廠。

英國在塞拉菲爾德建設(shè)并運(yùn)營了兩座商業(yè)后處理廠，即產(chǎn)能為每年900噸重金屬的索普廠和產(chǎn)能為每年1500噸重金屬的鎂諾克斯后處理廠?；诮?jīng)濟(jì)與安全原因，索普廠2018年停止運(yùn)行。鎂諾克斯后處理廠僅能處理鎂諾克斯型反應(yīng)堆產(chǎn)生的乏燃料，將在處理完庫存鎂諾克斯乏燃料后關(guān)閉。英國目前沒有在運(yùn)鎂諾克斯型反應(yīng)堆。

俄羅斯擁有一座產(chǎn)能為每年400 噸重金屬的RT-1 后處理廠，能夠處理本國絕大多數(shù)反應(yīng)堆（包括壓水堆、研究堆、快堆、艦船核動(dòng)力堆）乏燃料；正在建設(shè)一座后處理示范廠；并積極推進(jìn)先進(jìn)后處理技術(shù)、快堆技術(shù)和新型燃料技術(shù)研究，以期建立基于快堆的閉式核燃料循環(huán)體系。

日本引進(jìn)法國技術(shù)建設(shè)了六所村后處理廠。該廠于1993 年開始施工建設(shè)，最初計(jì)劃于1997 年投運(yùn)。但由于一系列技術(shù)和安全問題，該廠已先后20 多次推遲投運(yùn)，目前預(yù)計(jì)將于2022年投運(yùn)。

美國目前沒有商業(yè)后處理廠。但薩凡納河場區(qū)H 峽谷擁有一定的后處理能力，曾于2016年開展從研究堆乏燃料提鈾的作業(yè)。美國一直積極開展后處理技術(shù)研發(fā)，并在2021年資助阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和奧克洛公司合作推動(dòng)先進(jìn)反應(yīng)堆燃料再循環(huán)技術(shù)（采用干法后處理技術(shù)）的商業(yè)化。

表1 在運(yùn)和即將投運(yùn)的乏燃料后處理設(shè)施

3 乏燃料和高放廢物處置

對(duì)于準(zhǔn)備直接處置的乏燃料或后處理產(chǎn)生的高放廢物，目前國際公認(rèn)的安全可行的最終處置方式是深層地質(zhì)處置，即在地下300～1000 米建設(shè)具備多重屏障的處置庫。

處置庫的建設(shè)難度很大，需要確保萬年的長期安全，面臨一系列科學(xué)、技術(shù)和工程挑戰(zhàn)。美國、加拿大、德國、法國、瑞典、瑞士、芬蘭、比利時(shí)、日本、韓國等國均在積極開展相關(guān)研究，迄今累計(jì)建設(shè)了26 座地下實(shí)驗(yàn)室，有力推動(dòng)了高放廢物處置研發(fā)進(jìn)程。

世界范圍內(nèi)尚未建成乏燃料和高放廢物地質(zhì)處置庫，芬蘭、瑞典和法國已經(jīng)取得較大進(jìn)展。芬蘭奧爾基洛托乏燃料深層地質(zhì)處置庫是目前全球唯一啟動(dòng)建設(shè)的乏燃料和高放廢物深層地質(zhì)處置庫，2015年獲得建設(shè)許可證，2016年底開工建設(shè)。開發(fā)商波西瓦公司2021年提交該處置庫在2024年至2070年底運(yùn)營的許可證申請(qǐng)。

瑞典處置庫建設(shè)項(xiàng)目已取得較大進(jìn)展，瑞典核燃料和廢物管理公司2011年向瑞典監(jiān)管機(jī)構(gòu)提交乏燃料處置庫建設(shè)申請(qǐng)。該申請(qǐng)于2022年1 月獲得瑞典政府批準(zhǔn)。法國正在持續(xù)推進(jìn)Cigéo（地質(zhì)處置工業(yè)中心）項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2025年獲得建設(shè)許可證，2035年處置庫開始運(yùn)營。

20 世紀(jì)80 年代至2009 年，美國的工作重點(diǎn)是推進(jìn)尤卡山最終處置庫建設(shè)項(xiàng)目。在奧巴馬政府終止尤卡山項(xiàng)目后，美國政府2012 年發(fā)布《乏燃料與高放廢物管理和處置戰(zhàn)略》，決定建設(shè)一個(gè)由中間貯存中試設(shè)施、集中式中間貯存設(shè)施和地質(zhì)處置庫組成的乏燃料管理系統(tǒng)。美國能源部2021 年在《聯(lián)邦公報(bào)》發(fā)布信息征集書，就建立基于共識(shí)的乏燃料中間貯存設(shè)施選址程序向相關(guān)各方征求建議。此舉意味著美國政府在2009 年宣布放棄尤卡山項(xiàng)目之后準(zhǔn)備重新啟動(dòng)乏燃料管理計(jì)劃。

俄羅斯于上世紀(jì)60年代啟動(dòng)高放廢物處置研究工作，已確定葉尼塞為深層地質(zhì)處置庫場址，目前正在建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室。加拿大、德國和英國等國正在開展選址工作。日本計(jì)劃2030年選定處置庫場址，2040年處置庫開始運(yùn)營。

大多數(shù)國家正在制定本國乏燃料管理計(jì)劃，但多數(shù)仍處于早期規(guī)劃階段。

4 結(jié)語

我國國務(wù)院科技領(lǐng)導(dǎo)小組1983年召開論證會(huì)，確立了我國“發(fā)展核電必須相應(yīng)發(fā)展后處理”的戰(zhàn)略，明確支持我國執(zhí)行閉式核燃料循環(huán)策略?！丁笆奈濉币?guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出，“安全穩(wěn)妥推動(dòng)沿海核電建設(shè)”和“建設(shè)乏燃料后處理廠”，更是明確了我國堅(jiān)定執(zhí)行閉式核燃料循環(huán)的政策。

根據(jù)綱要，至2025年，我國核電運(yùn)行裝機(jī)容量達(dá)到7000萬千瓦。據(jù)預(yù)測，2030年我國核電廠累積卸出乏燃料將達(dá)到2.4萬噸，離堆貯存需求達(dá)到1.5萬噸以上，而以我國目前的乏燃料管理能力，存在乏燃料管理壓力增大、核電發(fā)展面臨可持續(xù)性問題突出、核燃料循環(huán)后段需求日益迫切的實(shí)際情況。

為解決這一挑戰(zhàn)，我國必須加快乏燃料和高放廢物管理發(fā)展的步伐，包括：落實(shí)閉式核燃料循環(huán)策略的實(shí)施，加快推動(dòng)大型商用后處理廠的建設(shè)；建立一定的乏燃料離堆貯存能力，緩解乏燃料管理壓力的同時(shí)，盡可能減少乏燃料長期貯存帶來的風(fēng)險(xiǎn)；積極開展高放廢液處理處置技術(shù)的研發(fā)，穩(wěn)步推進(jìn)高放廢物處置庫的選址程序和落實(shí)。