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    我国乏燃料后处理技术在早期军工时期有较好的基础和积累,但由于多种原因,后处理科研经历了较长时间的停滞,目前技术已明显落后于国际水平。

文 | 毛继军

作者系核能行业观察者

    核电站卸出乏燃料的安全管理直接影响核电的可持续发展。目前国际上对乏燃料的管理方式有三种,第一种是以法国和日本为代表的闭式燃料循环,通过后处理回收乏燃料中有价值的铀钚等可裂变核素进行循环利用,第二种是以瑞典和芬兰为代表的“一次通过”,将乏燃料视为放射性废物直接深地质处置,第三种是暂存,视未来技术发展情况再作决定,美国因为地质处置库几十年来难以推进,目前已将中短期乏燃料管理政策调整为中间暂存。

    在人类和平利用核能之初,发展闭式燃料循环就几乎同步被提上了议程,主要初衷有两点,一是地球上的铀资源有限,理想的多次闭式燃料循环可大大降低对铀资源的依赖,甚至将核能变成近乎完美的“可再生能源”;二是降低高放射性废物的体积和寿命,后处理技术发展至今仍无法实现这一目标,目前的乏燃料后处理技术只能降低高放废物的体积,却无法减少废物的寿命,后者必须通过对乏燃料中次锕系元素(Minor Actinides)和长寿命裂变产物(Long Lived Fission Products)进一步分离和嬗变方可实现。

    经过六十多年的发展,美国、法国、日本等核强国的快堆发展计划先后受挫,快堆商业化进程不断延后,分离嬗变技术进展缓慢,实现多次循环且大幅降低高放废物危害的理想闭式燃料循环仍面临诸多技术和经济难题。

    从国际经验看,以法国和日本为代表走闭式燃料循环的国家,虽早在上世纪六十年代就实现乏燃料后处理商业化,但由于快堆的滞后,被迫将后处理产生的钚制成铀钚氧化物燃料(MOX)在轻水堆中使用,这种循环只能进行一次,之后因钚的同位素变化,不再对乏MOX燃料进行二次后处理,即所谓“两次通过循环”(Twice Through Cycle)。

    与之相对,俄罗斯采取了优先发展快堆的策略,其后处理能力一直保持在较小规模,但经过六十多年的发展,俄罗斯尚未实现快堆规模化推广,基于快堆的闭式燃料循环在短期内仍很难变成现实。

    商业后处理厂的发展大致可分为两个代际。

    第一代商业后处理厂是对军用后处理厂的改进,以处理核电站较高燃耗的乏燃料,主要包括建造于上世纪六十年代的美国的西谷厂(West valley)和法国的UP2-400,这些后处理厂基本上沿用了军用后处理厂的设计原则。
   
    第二代商业后处理厂主要针对更高燃耗的乏燃料后处理,其代表是法国的UP3和UP2-800、英国的THORP厂和日本的六个所厂,其中法国阿格的UP3和UP2-800两个后处理厂运行较为成功,为法国本国、德国以及日本的核电客户处理了大量乏燃料,英国THORP厂于2018年底提前关闭,只运行了设计寿期的一半,发生过一些运行事件,处理乏燃料量也远低于设计产能,日本的六个所后处理厂则经历了长达二十多年的建造拖期,至今仍未投入运行。

    我国乏燃料后处理技术在早期军工时期有较好的基础和积累,但由于多种原因,后处理科研经历了较长时间的停滞,目前技术已明显落后于国际水平。在引进建设大型后处理厂的背景下,有必要系统研究和总结国际闭式燃料循环尤其是后处理产业发展的经验和启示,为我国后处理能力建设和闭式燃料循环发展提供有益借鉴。

    美国因多重因素放弃商业乏燃料后处理

    美国早在20世纪50年代就开发了乏燃料后处理的PUREX 流程,并建成全球首座使用PUREX流程的军用乏燃料后处理厂,随后,美国大幅推进核电站乏燃料商业后处理,曾先后建设了三座民用后处理厂:

    纽约州西谷厂处理能力300吨/年,1966-1977运行,因安全法规提高要求所导致的改造太贵而关闭;

    伊利诺伊州Morris后处理厂处理能力300吨/年,因采用的新工艺失败于1974年停产;

    南卡罗莱纳州Barnwell厂处理能力1500吨/年,因后处理政策转变未进行调试即被关闭。

    1977年,受到印度核试验的影响,卡特政府通过立法禁止了商业乏燃料后处理,其背后的原因除了防核扩散这一政治因素之外,经济性也是主要原因之一,美国国会针对乏燃料后处理举行的听证会以及MIT等机构开展的专题研究均指出,相比于乏燃料一次通过,后处理成本过高,且其在降低放射性废物量的效益上并不显著。

    自2002年,美国先后推出先进燃料循环倡议(AFCI)和全球核能伙伴倡议(GNEP)开展分离嬗变先进核燃料循环研究专项,提出开发防核扩散的核燃料循环技术。2009年,奥巴马政府停止GNEP计划。2012年,美国能源部新设立的蓝丝带委员会通过评估后,建议在等待高放废物(乏燃料)最终处置之前建造集中中间贮存设施作为过渡方案。近期,美国计划重新评估乏燃料和核废料的管理方案。

    总体而言,在政策方面,美国目前的核燃料循环政策摇摆不定,暂停尤卡山最终地质处置项目后,循环政策从“一次通过”调整为“观望”,乏燃料管理策略改为集中储存,作为最终方案的过渡,解决乏燃料大量累积带来的安全管理问题的同时,为未来采取最优核燃料循环路线保留选项。

    美国麻省理工学院(MIT)2011年的《核燃料循环的未来》研究报告指出,今后几十年内轻水堆乏燃料一次通过仍是美国首选的经济选项,而且很可能是本世纪大部分时间美国和其它国家核循环系统的显著特征。以相对较小的成本实施乏燃料长期安全管理,保留未来乏燃料利用的各种选项。

    随着时间推移,一些重大不确定性(核电发展规模、新反应堆和新燃料循环技术的可用性和经济性)终归会明朗化,届时轻水堆乏燃料采取直接地质处置还是进行后处理闭式循环,就能做出更加合理的决定。另外,对乏燃料进行较长时间的中间储存,其放射性和衰变热减少,从而可降低后处理难度,减少后处理成本。

    在顶层规划方面,纵观本世纪初开始的多个先进燃料循环研发计划,不管是ACFI还是GNEP,均体现出乏燃料后处理和先进快堆的系统衔接和统筹规划,从先进后处理、高放废液分离、超铀元素再利用、先进快堆等多个环节均有机衔接,同步推进。

    同时,长期保持较高的研发投入,有多个先进燃料循环的研发项目正在开展,然而政府更替带来的政策变化,一定程度上影响了美国先进燃料循环技术的研发进程。

    法国后处理商业化后被迫在压水堆中消纳回收钚

    法国1958年在马库尔投运第一座处理石墨气冷堆乏燃料的军用后处理厂(UP1),1966年在阿格建成第二座后处理厂(UP2)提取军用钚,至1987年停止处理气冷堆乏燃料。1970年法国原子能委员会(CEA)决定改造UP2,使其具备轻水堆乏燃料处理能力,1975年完成改造,处理能力400吨/年,并改名为UP2-400。1989年由德国、日本等国核电企业投资建成UP3后处理厂,主要处理这些国家产生的轻水堆乏燃料。1994又将UP2-400改造扩建成UP2-800,主要负责处理法国本国产生的轻水堆乏燃料,阿格厂目前的总处理能力为1700吨/年。

    自2000年以后,阿格后处理厂的后处理业务呈现出萎缩态势,开本率大幅下降,其主要原因是德国立法禁止本国乏燃料运往国外后处理,未处理的乏燃料全部进行直接处置,日本由于当时预计六个所后处理厂能够按时投运,也不再委托法国后处理。下图为阿格厂两个后处理厂30年间的年处理量情况。近年来,其年处理量维持在1000吨左右,约为设计产能的60%左右。

    在回收钚的循环利用方面,法国自1987年开始在压水堆中使用MOX燃料,目前约累计使用5000组MOX燃料组件。MOX燃料在压水堆中使用,钚只能循环1-2次,之后由于钚的同位素谱变化,无法多次循环。

    此外,使用过的 MOX燃料中次锕系元素大幅增加,导致其毒性增加,提高了再处理的难度,因此,法国目前对使用过的MOX燃料不再进行二次后处理,暂存等待未来先进的核燃料循环系统再利用。

    后处理回收钚在压水堆中应用最大的问题是其经济性差,由于MOX燃料组件的制造成本远高于普通的UO2燃料,抵消了其节省的天然铀和铀浓缩价值,导致法国轻水堆使用MOX燃料成本高于UOX燃料成本。

    总体而言,虽然法国成功实现了乏燃料的商业化后处理,但为了解决回收钚的消纳问题,不得不在压水堆核电站中应用MOX燃料,积累成熟经验,但在当前天然铀和转化浓缩市场条件下,MOX燃料成本大幅高于普通UO2燃料成本,循环经济性较差,虽然表面上提高了铀资源利用率,但却付出了较高的循环成本。

    随着国际后处理合同到期终止,法国后处理产业呈现出萎缩态势,其本国核电公司EDF也严格限制乏燃料后处理量,并且与服务方欧安诺公司在后处理合同价格上存在较大分歧,导致法国乏燃料后处理能力过剩的同时,仍有累积乏燃料未经处理。

    不排除法国未来重新评估并调整乏燃料管理政策的可能性,英国和德国早期走后处理路线,由于种种原因,目前均已从闭式燃料循环调整为一次通过。

    日本大型后处理厂建设遭遇严重拖期

    日本从核能利用之初就坚定不移地走闭式燃料循环路线,并且提出了“ 钚经济”(Plutonium Economy)设想,通过实现核燃料的多次循环利用,将核能对铀资源的依赖降到最低程度。

    1966年日本引进法国和美国技术,建设了东海后处理中试厂,1977年建成投产,由日本原子能委员会(JAEA)管理运营,其设计处理能力为200吨/年,实际能力90吨/年,从1977年到2009年共处理了1140吨乏燃料,大部分为轻水堆乏燃料。2014 年,JAEA宣布将关闭东海后处理厂。同时,日本以商业合同的形式委托法国和英国处理了总计约7000吨乏燃料。

    1993年,日本在北海道青森县六个所村开始建造大型后处理厂(Rokashho Reprocessing Plant),主要工艺引进法国技术,部分引进英国技术,参照法国UP3后处理厂建设,设计后处理能力800吨/年。

    然而,六个所后处理厂在建设过程中遇到了技术与成本的双重问题,其投运计划不断延后,于2006年3月进行了热试,目前预计在2021年投运,前后历时将近30年。

    日本六个所后处理厂的建设历程,反映出大型后处理厂在技术、设计和工程方面的难度和复杂性,大型后处理厂的建设客观上面临较大的工程难度和风险。

    对我国闭式燃料循环发展的启示

    截至2018年底,我国在运核电机组44台,累积产生乏燃料数量约4800tHM,其中大部分暂存在核电站内部的乏燃料水池中。

    随着我国核电规模的持续增长,乏燃料累积数量将大幅增加,按照2030年核电装机1.3亿千瓦测算,届时乏燃料累积数量将接近3万吨,但仍不及美国目前乏燃料累积数量的一半。

    我国在上世纪80年代确定了闭式核燃料循环政策,“十三五”核工业发展规划进一步明确了坚持乏燃料后处理的大政方针,已进入立法审批流程的《原子能法》将闭式燃料循环政策上升到法律层面。

    在后处理能力建设方面,我国目前仅建成一座年处理能力60tHM的后处理中试厂,按照主管部门的相关规划,我国将加快后处理科研攻关和能力建设,按照从易到难、由小到大的思路,坚持自主创新,在掌握后处理关键技术的基础上尽快形成能力,通过引进法国技术,建设工业规模的大型后处理厂。

    在加快推进后处理能力建设的同时,也必须充分认识到大型后处理厂建设面临的难度和技术经济风险,尤其须关注引进后处理大厂的建设成本和工程风险,以核电的健康可持续发展为前提,以实现乏燃料的安全管理为目标,合理科学规划大型商业后处理厂的建设时机和实现路径。在总结国际核燃料循环发展经验的基础上,结合我国核燃料循环发展完善面临的主要问题,提出以下建议。

    第一,在坚持核燃料闭式循环政策的同时,认真研究和确定我国商用后处理大厂的建设时机和条件,促进我国核燃料循环后段产业的健康发展。

    我国应坚持核燃料闭式循环政策,着眼于建立基于快堆的闭式燃料循环体系。在统筹考虑核燃料循环产业发展时,要特别注意后处理能力建设与快堆发展的衔接问题,不能过晚,也不能过于超前,避免重走英、法等国的弯路。我国后处理厂的建设时机应当以快堆产业化推广时间为衡量基准,不能以乏燃料累积量为衡量基准。乏燃料累积问题完全可以通过中间贮存实现安全管理。

    第二,对乏燃料管理政策和策略进行深入的研究,统筹规划乏燃料的长期贮存。

    美国核燃料循环政策从“一次通过”转向“观望”是一个重大政策转变,“观望”政策的核心是实行乏燃料的长期集中贮存,这一转变的目的是为未来核燃料循环政策保留较大的选择空间。我国未来的核电装机规模很有可能将超过美国成为全球第一,乏燃料累积数量将非常庞大,乏燃料的中间储存是必然选项,应尽早进行统筹规划。长期集中贮存既能为最终采取最优化的核燃料循环方案保留选项,也能为我国闭式燃料循环各相关环节的发展提供缓冲期。

    第三,国家层面应做好统筹规划,加大科研投入,集全行业力量攻关先进后处理和快堆领域的相关核心技术。

    同时,应系统研究制订我国核燃料循环长远技术路线和发展规划,同步推进先进后处理-高放废液分离-超铀元素快堆利用等环节的研究开发,最终建立“废物最小化”和“资源最大化利用”的闭式燃料循环系统。

 
 
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