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        全球乏燃料與高放廢物管理現(xiàn)狀

        2022-05-27 14:25:50陸燕,陳亞君,單琳
        國外核新聞 2022年3期
        關(guān)鍵詞:后處理建設(shè)

        全球32 個國家目前擁有在運核電機組439臺,總裝機容量為3.92 億千瓦。全球截至2020年底累計產(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,直接進行深層地質(zhì)處置;后者將乏燃料視為一種寶貴資源,對其進行后處理,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》報告中明確提出,將在各種先進反應(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 年對先進反應(yīng)堆燃料循環(huán)進行評價。

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

        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行。另外一些國家,如比利時、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))進行中間貯存,以待后續(xù)進行后處理或直接深層地質(zhì)處置。

        目前在運核電廠的設(shè)計壽期為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)處置庫處置或進行后處理之前,都需在離堆設(shè)施中進行中間貯存。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、貯存密度高等特點,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,依靠氣體對流進行冷卻,相比而言,其設(shè)施建造費用較高,優(yōu)點是具有易擴展性、建造工期短、運維簡單、費用低。由于全球目前還沒有乏燃料最終處置庫建成投運,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管理方法,并非最終處置方法。隨著中間貯存時間的延長,乏燃料安全管理風(fēng)險會上升,進而會導(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)濟與安全原因,索普廠2018年停止運行。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、艦船核動力堆)乏燃料;正在建設(shè)一座后處理示范廠;并積極推進先進后處理技術(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),最初計劃于1997 年投運。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,目前預(yù)計將于2022年投運。

        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年資助阿貢國家實驗室和奧克洛公司合作推動先進反應(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 在運和即將投運的乏燃料后處理設(shè)施

        3 乏燃料和高放廢物處置

        對于準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、日本、韓國等國均在積極開展相關(guān)研究,迄今累計建設(shè)了26 座地下實驗室,有力推動了高放廢物處置研發(fā)進程。

        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年底運營的許可證申請。

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

        20 世紀80 年代至2009 年,美國的工作重點是推進尤卡山最終處置庫建設(shè)項目。在奧巴馬政府終止尤卡山項目后,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》發(fā)布信息征集書,就建立基于共識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目之后準備重新啟動乏燃料管理計劃。

        俄羅斯于上世紀60年代啟動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)地下實驗室。加拿大、德國和英國等國正在開展選址工作。日本計劃2030年選定處置庫場址,2040年處置庫開始運營。

        大多數(shù)國家正在制定本國乏燃料管理計劃,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,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遠景目標綱要》提出,“安全穩(wěn)妥推動沿海核電建設(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,我國核電運行裝機容量達到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到2.4萬噸,離堆貯存需求達到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:落實閉式核燃料循環(huán)策略的實施,加快推動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,盡可能減少乏燃料長期貯存帶來的風(fēng)險;積極開展高放廢液處理處置技術(shù)的研發(fā),穩(wěn)步推進高放廢物處置庫的選址程序和落實。

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