我國(guó)乏燃料貯存以及后處理的現(xiàn)狀

丁弘

2021年10月26日國(guó)務(wù)院發(fā)布《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》，即中國(guó)承諾在2030年前，二氧化碳的排放不再增長(zhǎng)，達(dá)到峰值后再慢慢減下去。為了實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，我國(guó)將致力于發(fā)展清潔能源，而其中核電將成為電力中重要的“發(fā)展對(duì)象”。但是隨著核電站數(shù)量以及發(fā)電量的增加，核電站里有核反應(yīng)產(chǎn)生的乏燃料也會(huì)隨之累積增加。針對(duì)這一現(xiàn)象本文系統(tǒng)地歸納了我國(guó)對(duì)于乏燃料的貯存以及后處理的現(xiàn)狀。分析了我國(guó)對(duì)乏燃料以及后處理所采取措施的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)此提出了相應(yīng)的研究思路以及選擇，為這兩方面的發(fā)展提供指導(dǎo)。

核電作為一種清潔能源，對(duì)滿足電力的需求、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源的安全以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面的優(yōu)點(diǎn)使核能得到了廣泛的認(rèn)可。但是，在核電站的運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)有一部分燃料不能反應(yīng)徹底，這部分未燃盡的燃料我們稱之為乏燃料[1]。因?yàn)槿〕龊蟮姆θ剂暇哂泻軓?qiáng)的放射性，如果對(duì)其處理不妥當(dāng)將會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境以及周邊的人類身體健康造成不利的影響，故我們?cè)谌〕龇θ剂虾笙刃枰獙⒎θ剂戏湃肜渌刂羞M(jìn)行冷卻，然后乏燃料冷卻到一定程度以后再將乏燃料送往后處理，因?yàn)槲覈?guó)的乏燃料處理手段和國(guó)際上一些其他國(guó)家相比稍有不足，所以我們大量的乏燃料是需要進(jìn)行貯存的。

目前，乏燃料的處理方法主要有以下兩種，開式燃料循環(huán)和閉式燃料循環(huán)。開式燃料循環(huán)是指將乏燃料通過(guò)裝在密閉性、吸收放射性的罐后進(jìn)行長(zhǎng)期的地質(zhì)深埋存儲(chǔ);而閉式循環(huán)是指通過(guò)化學(xué)以及物理的方式將乏燃料中未燃燒充分的部分乏燃料進(jìn)行提取以及分離，經(jīng)過(guò)一定處理后再加入反應(yīng)堆內(nèi)利用。然而，因?yàn)楹穗娬緦?duì)于乏燃料后處理的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其產(chǎn)生的效率，故我們需要對(duì)剩余的乏燃料采取貯存的手段，由于核電站能用來(lái)貯存的空間十分有限，所以一般采用離堆貯存的手段[2]。

本文總結(jié)了我國(guó)當(dāng)前乏燃料后處理以及貯存的現(xiàn)狀，根據(jù)我國(guó)核電目前的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了我國(guó)對(duì)乏燃料的后處理以及貯存的需求存在的問(wèn)題，為我國(guó)的核電的發(fā)展提出一些展望。

一、我國(guó)乏燃料后處理現(xiàn)狀

我國(guó)在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)明確了走閉式循環(huán)的核能發(fā)展路線，同時(shí)提出發(fā)展核電就要發(fā)展后處理的方針。我國(guó)是以乏燃料后處理水發(fā)作為基礎(chǔ)研究，并且在近幾年根據(jù)我國(guó)核電站堆型的特點(diǎn)以及發(fā)展四代堆的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多種創(chuàng)新性的研究。同時(shí)在水法PUREX的工藝研究基礎(chǔ)上也對(duì)后處理干法進(jìn)行了研究。

（一）乏燃料濕法處理研究

后處理的濕法處理分為沉淀法和萃取法。沉淀法是二十世紀(jì)四十年代軍用后處理廠采用的方法，這種方法是將乏燃料放置酸中溶解后，再用BiPO4和LaF3使Pu沉淀，然而這種方法因?yàn)閷?duì)鈾元素?zé)o法回收且去污率低，以及對(duì)Pu回收率低等原因故不再采用。

在此之后我國(guó)便開始采用萃取法來(lái)進(jìn)行分離，在當(dāng)時(shí)有三種萃取方法被用來(lái)進(jìn)行研究比較，它們分別為以磷酸三丁酯（TBP）作為萃取劑的PUREX流程;以甲基異丁基酮作為萃取劑的REDOX 流程;以及以B，B’-二丁氧基二乙基醚作為萃取劑的BUTEX流程。在經(jīng)過(guò)幾年運(yùn)行證明以磷酸三丁酯作為萃取劑的PUREX流程是最經(jīng)濟(jì)以及最有效的流程，在經(jīng)過(guò)一系列的改進(jìn)之后其不僅可以用于低燃耗、低比放的生產(chǎn)堆燃料后處理，也適用于高燃耗、高比放的快堆和動(dòng)力堆燃料的后處理。該流程也是目前唯一實(shí)際應(yīng)用的后處理技術(shù)，且在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)也是繼續(xù)采用的方法[3]。在此基礎(chǔ)上用四價(jià)鈾和羥胺以及新型無(wú)機(jī)鹽作為還原劑，正十二烷作為稀釋劑，利用鈾、钚、裂片元素在硝酸水相和有機(jī)相中不同的分配系數(shù)，經(jīng)過(guò)鈾三循環(huán)（現(xiàn)已可縮減為兩循環(huán)）達(dá)到純化的目的。后期則是將這些純化的料液轉(zhuǎn)化為粉末狀貯存。

（二）乏燃料干法處理研究

干法后處理的方式為采用高溫及非水試劑對(duì)鈾、钚和裂片進(jìn)行分離，目前干法處理技術(shù)又分為熔鹽電精制法、氧化物電沉積法、氟化揮發(fā)法等。干法后處理可以用于處理高燃耗、高比放、短冷卻期的乏燃料，其優(yōu)點(diǎn)為具有耐輻照特性、不會(huì)產(chǎn)生工藝廢液、低臨界風(fēng)險(xiǎn)、放射性廢物少等等。目前世界上的核能大國(guó)都加大了對(duì)干法處理乏燃料的研究，因?yàn)樵摷夹g(shù)可以滿足先進(jìn)核燃料循環(huán)中對(duì)乏燃料或者嬗變靶件的分離需要。然而，干法處理也具有不可忽視的缺點(diǎn)：對(duì)材料腐蝕嚴(yán)重，鈾和钚的分離以及钚的凈化效果不理想。事實(shí)上，干法的任何一種方法都沒有在實(shí)際中被使用[4]。

我國(guó)的干法處理技術(shù)與其他國(guó)家相比起步較晚，但在熔鹽電精制法、氧化物電沉積法、氟化揮發(fā)法這三種方法上也取得了成果。對(duì)于熔鹽電解制法，中國(guó)原子能科學(xué)研究院豐富了熔鹽數(shù)據(jù)庫(kù)，為乏燃料后處理的優(yōu)選提供了良好的選擇方案。在針對(duì)高溫熔鹽的電化學(xué)性能、氧化物還原的過(guò)程機(jī)理、廢熔鹽處理方面以及氟化物體系溶解-直接電解分離工藝等方面都實(shí)現(xiàn)了很大的進(jìn)展[5]。

二、我國(guó)乏燃料貯存現(xiàn)狀

乏燃料的貯存是核電站中處理乏燃料中至關(guān)重要的一步，如果貯存方式采取不當(dāng)，會(huì)對(duì)國(guó)家的生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)以及安全帶來(lái)負(fù)面的影響，所以選擇正確的貯存方式是我們的研究?jī)?nèi)容之一，目前我們的貯存方式分為在堆貯存和離堆貯存。

（一）乏燃料的在堆貯存

當(dāng)前大多核電站和研究堆采用的是在堆貯存的方式，核電站的堆貯存量十分有限，一個(gè)核電站的貯存容納量可以維持其運(yùn)行十年之久，當(dāng)乏燃料貯存量達(dá)到期望值后大都是離堆貯存，離堆貯存也是目前最主要的貯存手段之一。

（二）乏燃料的離堆貯存

1.離堆濕法貯存

我國(guó)目前對(duì)濕法貯存采用最普遍的方式為貯存水池，這種處理方式技術(shù)相對(duì)于比較成熟，同時(shí)我國(guó)對(duì)這種貯存方式有較多的使用經(jīng)驗(yàn)。且貯存水池的規(guī)模一般為工廠三年對(duì)于乏燃料的處理能力，大約為1300tHM，儲(chǔ)存范圍為2400噸到3000噸鈾，同時(shí)貯存水池保留擴(kuò)建的接口，為日后擴(kuò)展乏燃料的貯存量提供保證[6]。對(duì)于乏燃料的卸料方式也一般采用濕法卸料的方式，因?yàn)闈穹ㄐ读线m用的范圍更廣，可以用于不同類型的乏燃料的卸料。濕法卸料為在水下進(jìn)行卸料的操作，然后將卸下的乏燃料貯存于貯存水池中的貯存格架中，因?yàn)榉θ剂暇哂嗅専崃枯^高的特性，我們還需要在貯存水池設(shè)置池水冷卻系統(tǒng)以及池水凈化系統(tǒng)，以此來(lái)保證貯存水池的溫度以及放射性不超過(guò)規(guī)定值。

濕法貯存的詳細(xì)流程為裝有乏燃料的容器被接收后，裝載乏燃料的車輛以及容器送去檢查和清洗，之后進(jìn)行容器暫存以及檢修，接著進(jìn)行容器的冷卻，容器卸料后將乏燃料貯存在水池中的貯存格架中，貯存格架里的乏燃料經(jīng)過(guò)水池的池水冷卻系統(tǒng)和池水的凈化系統(tǒng)可以進(jìn)入后處理的首端處理車間[7]。

2.離堆干法貯存

乏燃料干貯存法是近幾年來(lái)比較成熟的一種技術(shù)，其具體操作為將在貯存水池中已經(jīng)存放了一段時(shí)間的乏燃料，放置于金屬容器或者是金屬和混凝土制成的干法貯存設(shè)施中進(jìn)行貯存，將這些乏燃料可以貯存數(shù)年后再進(jìn)行后處理或者直接進(jìn)行長(zhǎng)期的封存。從長(zhǎng)期儲(chǔ)存的角度出發(fā)，離堆干法貯存相對(duì)于離堆濕法貯存會(huì)更加靈活且經(jīng)濟(jì)、安全。同時(shí)，干法貯存離堆還有運(yùn)輸以及處置等功能。

在我國(guó)的核電站中，每個(gè)核電站采取的離堆干法貯存技術(shù)都有所不同。對(duì)于秦山三期的核電站，離堆干法貯存設(shè)施為MACSTOR-400模塊，每一個(gè)模塊都可以貯存24000個(gè)乏燃料棒束。大亞灣核電站以及田灣核電站采用的是NUHOMS干法貯存技術(shù)。大亞灣核電站的干法貯存設(shè)施有27個(gè)模塊，其中每個(gè)模塊可以貯存32個(gè)乏燃料組件，可以實(shí)現(xiàn)大約400tHM的鈾貯存。田灣核電站則具備60個(gè)貯存設(shè)施模塊，可實(shí)現(xiàn)大約150tHM的乏燃料的干法貯存[8]。

三、問(wèn)題與展望

（一）我國(guó)乏燃料后處理及貯存存在的問(wèn)題

（1）在研究工藝流程方面，我國(guó)的乏燃料后處理所做的基礎(chǔ)研究相比于其他國(guó)家來(lái)說(shuō)，研究起步時(shí)間較晚，研究的內(nèi)容范圍內(nèi)容較窄，有一定的技術(shù)差距。

（2）在燃料貯存方面，離堆干法貯存所采用的技術(shù)方式過(guò)于單一，且采用的貯存設(shè)施大都為引進(jìn)國(guó)外的設(shè)施，缺少了自主研發(fā)出的貯存材料。

（3）在后處理的工藝上還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，如溶解、萃取、剪切等工藝還需要更進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

（4）在干法后處理中我國(guó)所擁有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少，很多處理所需要的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)一步研究來(lái)進(jìn)行完善。

（二）乏燃料后處理和貯存的展望

（1）進(jìn)一步開發(fā)濕法后處理工藝。盡量減少未處置的廢物體積以及活度，對(duì)還原劑中的無(wú)機(jī)鹽進(jìn)行更一步的挖掘，減少萃取循環(huán)的次數(shù)。

（2）干法處理輔助濕法處理對(duì)于乏燃料的后處理，在干法處理中研究更多的高溫分解的方法，并做研究補(bǔ)充干法處理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）研發(fā)我國(guó)自主的貯存設(shè)備，采用更多的貯存技術(shù)，使方法多樣化。

四、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的核電發(fā)展具有良好的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，隨著我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”的理念的提出，核電的發(fā)展為大勢(shì)所趨，所以我們要著重解決限制核電發(fā)展的重要因素——乏燃料，在乏燃料的處理方面我們重點(diǎn)發(fā)展二次循環(huán)工藝以及無(wú)機(jī)鹽還原劑的制作工藝，并且可以吸取國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)發(fā)展出自己的后處理工藝。同時(shí)注重離堆貯存的貯存設(shè)施的建設(shè)，以及探索離堆貯存的多樣式路線。正確對(duì)待乏燃料，將乏燃料充分處理及應(yīng)用可以更好地推動(dòng)中國(guó)核電的法杖，造福人類。

參考文獻(xiàn)：

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[3]宋碩，徐錦鋒.球墨鑄鐵在核乏燃料后處理中的應(yīng)用及發(fā)展[J].鑄造技術(shù)，2021（7）：89.

[4]欒洪衛(wèi)，徐俊峰，景繼強(qiáng).核電站乏燃料后處理現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)淺析[J].工程技術(shù)，2020（2）：67.

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