時間:2020-06-04 作者:admin
核電站卸出乏燃料的安全管理直接影響核電的可持續(xù)發(fā)展。目前國際上對乏燃料的管理方式有三種,第一種是以法國和日本為代表的閉式燃料循環(huán),通過后處理回收乏燃料中有價值的鈾钚等可裂變核素進行循環(huán)利用,第二種是以瑞典和芬蘭為代表的“一次通過”,將乏燃料視為放射性廢物直接深地質(zhì)處置,第三種是暫存,視未來技術(shù)發(fā)展情況再作決定,美國因為地質(zhì)處置庫幾十年來難以推進,目前已將中短期乏燃料管理政策調(diào)整為中間暫存。
在人類和平利用核能之初,發(fā)展閉式燃料循環(huán)就幾乎同步被提上了議程,主要初衷有兩點,一是地球上的鈾資源有限,理想的多次閉式燃料循環(huán)可大大降低對鈾資源的依賴,甚至將核能變成近乎完美的“可再生能源”;二是降低高放射性廢物的體積和壽命,后處理技術(shù)發(fā)展至今仍無法實現(xiàn)這一目標,目前的乏燃料后處理技術(shù)只能降低高放廢物的體積,卻無法減少廢物的壽命,后者必須通過對乏燃料中次錒系元素(Minor Actinides)和長壽命裂變產(chǎn)物(Long Lived Fission Products)進一步分離和嬗變方可實現(xiàn)。
經(jīng)過六十多年的發(fā)展,美國、法國、日本等核強國的快堆發(fā)展計劃先后受挫,快堆商業(yè)化進程不斷延后,分離嬗變技術(shù)進展緩慢,實現(xiàn)多次循環(huán)且大幅降低高放廢物危害的理想閉式燃料循環(huán)仍面臨諸多技術(shù)和經(jīng)濟難題。
從國際經(jīng)驗看,以法國和日本為代表走閉式燃料循環(huán)的國家,雖早在上世紀六十年代就實現(xiàn)乏燃料后處理商業(yè)化,但由于快堆的滯后,被迫將后處理產(chǎn)生的钚制成鈾钚氧化物燃料(MOX)在輕水堆中使用,這種循環(huán)只能進行一次,之后因钚的同位素變化,不再對乏MOX燃料進行二次后處理,即所謂“兩次通過循環(huán)”(Twice Through Cycle)。
與之相對,俄羅斯采取了優(yōu)先發(fā)展快堆的策略,其后處理能力一直保持在較小規(guī)模,但經(jīng)過六十多年的發(fā)展,俄羅斯尚未實現(xiàn)快堆規(guī)模化推廣,基于快堆的閉式燃料循環(huán)在短期內(nèi)仍很難變成現(xiàn)實。
商業(yè)后處理廠的發(fā)展大致可分為兩個代際。
第一代商業(yè)后處理廠是對軍用后處理廠的改進,以處理核電站較高燃耗的乏燃料,主要包括建造于上世紀六十年代的美國的西谷廠(West valley)和法國的UP2-400,這些后處理廠基本上沿用了軍用后處理廠的設(shè)計原則。
第二代商業(yè)后處理廠主要針對更高燃耗的乏燃料后處理,其代表是法國的UP3和UP2-800、英國的THORP廠和日本的六個所廠,其中法國阿格的UP3和UP2-800兩個后處理廠運行較為成功,為法國本國、德國以及日本的核電客戶處理了大量乏燃料,英國THORP廠于2018年底提前關(guān)閉,只運行了設(shè)計壽期的一半,發(fā)生過一些運行事件,處理乏燃料量也遠低于設(shè)計產(chǎn)能,日本的六個所后處理廠則經(jīng)歷了長達二十多年的建造拖期,至今仍未投入運行。
我國乏燃料后處理技術(shù)在早期軍工時期有較好的基礎(chǔ)和積累,但由于多種原因,后處理科研經(jīng)歷了較長時間的停滯,目前技術(shù)已明顯落后于國際水平。在引進建設(shè)大型后處理廠的背景下,有必要系統(tǒng)研究和總結(jié)國際閉式燃料循環(huán)尤其是后處理產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗和啟示,為我國后處理能力建設(shè)和閉式燃料循環(huán)發(fā)展提供有益借鑒。
美國因多重因素放棄商業(yè)乏燃料后處理
美國早在20世紀50年代就開發(fā)了乏燃料后處理的PUREX 流程,并建成全球首座使用PUREX流程的軍用乏燃料后處理廠,隨后,美國大幅推進核電站乏燃料商業(yè)后處理,曾先后建設(shè)了三座民用后處理廠:
紐約州西谷廠處理能力300噸/年,1966-1977運行,因安全法規(guī)提高要求所導(dǎo)致的改造太貴而關(guān)閉;
伊利諾伊州Morris后處理廠處理能力300噸/年,因采用的新工藝失敗于1974年停產(chǎn);
南卡羅萊納州Barnwell廠處理能力1500噸/年,因后處理政策轉(zhuǎn)變未進行調(diào)試即被關(guān)閉。
1977年,受到印度核試驗的影響,卡特政府通過立法禁止了商業(yè)乏燃料后處理,其背后的原因除了防核擴散這一政治因素之外,經(jīng)濟性也是主要原因之一,美國國會針對乏燃料后處理舉行的聽證會以及MIT等機構(gòu)開展的專題研究均指出,相比于乏燃料一次通過,后處理成本過高,且其在降低放射性廢物量的效益上并不顯著。
自2002年,美國先后推出先進燃料循環(huán)倡議(AFCI)和全球核能伙伴倡議(GNEP)開展分離嬗變先進核燃料循環(huán)研究專項,提出開發(fā)防核擴散的核燃料循環(huán)技術(shù)。2009年,奧巴馬政府停止GNEP計劃。2012年,美國能源部新設(shè)立的藍絲帶委員會通過評估后,建議在等待高放廢物(乏燃料)最終處置之前建造集中中間貯存設(shè)施作為過渡方案。近期,美國計劃重新評估乏燃料和核廢料的管理方案。
總體而言,在政策方面,美國目前的核燃料循環(huán)政策搖擺不定,暫停尤卡山最終地質(zhì)處置項目后,循環(huán)政策從“一次通過”調(diào)整為“觀望”,乏燃料管理策略改為集中儲存,作為最終方案的過渡,解決乏燃料大量累積帶來的安全管理問題的同時,為未來采取最優(yōu)核燃料循環(huán)路線保留選項。
美國麻省理工學(xué)院(MIT)2011年的《核燃料循環(huán)的未來》研究報告指出,今后幾十年內(nèi)輕水堆乏燃料一次通過仍是美國首選的經(jīng)濟選項,而且很可能是本世紀大部分時間美國和其它國家核循環(huán)系統(tǒng)的顯著特征。以相對較小的成本實施乏燃料長期安全管理,保留未來乏燃料利用的各種選項。
隨著時間推移,一些重大不確定性(核電發(fā)展規(guī)模、新反應(yīng)堆和新燃料循環(huán)技術(shù)的可用性和經(jīng)濟性)終歸會明朗化,屆時輕水堆乏燃料采取直接地質(zhì)處置還是進行后處理閉式循環(huán),就能做出更加合理的決定。另外,對乏燃料進行較長時間的中間儲存,其放射性和衰變熱減少,從而可降低后處理難度,減少后處理成本。
在頂層規(guī)劃方面,縱觀本世紀初開始的多個先進燃料循環(huán)研發(fā)計劃,不管是ACFI還是GNEP,均體現(xiàn)出乏燃料后處理和先進快堆的系統(tǒng)銜接和統(tǒng)籌規(guī)劃,從先進后處理、高放廢液分離、超鈾元素再利用、先進快堆等多個環(huán)節(jié)均有機銜接,同步推進。
同時,長期保持較高的研發(fā)投入,有多個先進燃料循環(huán)的研發(fā)項目正在開展,然而政府更替帶來的政策變化,一定程度上影響了美國先進燃料循環(huán)技術(shù)的研發(fā)進程。
法國后處理商業(yè)化后被迫在壓水堆中消納回收钚
法國1958年在馬庫爾投運第一座處理石墨氣冷堆乏燃料的軍用后處理廠(UP1),1966年在阿格建成第二座后處理廠(UP2)提取軍用钚,至1987年停止處理氣冷堆乏燃料。1970年法國原子能委員會(CEA)決定改造UP2,使其具備輕水堆乏燃料處理能力,1975年完成改造,處理能力400噸/年,并改名為UP2-400。1989年由德國、日本等國核電企業(yè)投資建成UP3后處理廠,主要處理這些國家產(chǎn)生的輕水堆乏燃料。1994又將UP2-400改造擴建成UP2-800,主要負責(zé)處理法國本國產(chǎn)生的輕水堆乏燃料,阿格廠目前的總處理能力為1700噸/年。
自2000年以后,阿格后處理廠的后處理業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出萎縮態(tài)勢,開本率大幅下降,其主要原因是德國立法禁止本國乏燃料運往國外后處理,未處理的乏燃料全部進行直接處置,日本由于當(dāng)時預(yù)計六個所后處理廠能夠按時投運,也不再委托法國后處理。下圖為阿格廠兩個后處理廠30年間的年處理量情況。近年來,其年處理量維持在1000噸左右,約為設(shè)計產(chǎn)能的60%左右。
在回收钚的循環(huán)利用方面,法國自1987年開始在壓水堆中使用MOX燃料,目前約累計使用5000組MOX燃料組件。MOX燃料在壓水堆中使用,钚只能循環(huán)1-2次,之后由于钚的同位素譜變化,無法多次循環(huán)。
此外,使用過的 MOX燃料中次錒系元素大幅增加,導(dǎo)致其毒性增加,提高了再處理的難度,因此,法國目前對使用過的MOX燃料不再進行二次后處理,暫存等待未來先進的核燃料循環(huán)系統(tǒng)再利用。
后處理回收钚在壓水堆中應(yīng)用最大的問題是其經(jīng)濟性差,由于MOX燃料組件的制造成本遠高于普通的UO2燃料,抵消了其節(jié)省的天然鈾和鈾濃縮價值,導(dǎo)致法國輕水堆使用MOX燃料成本高于UOX燃料成本。
總體而言,雖然法國成功實現(xiàn)了乏燃料的商業(yè)化后處理,但為了解決回收钚的消納問題,不得不在壓水堆核電站中應(yīng)用MOX燃料,積累成熟經(jīng)驗,但在當(dāng)前天然鈾和轉(zhuǎn)化濃縮市場條件下,MOX燃料成本大幅高于普通UO2燃料成本,循環(huán)經(jīng)濟性較差,雖然表面上提高了鈾資源利用率,但卻付出了較高的循環(huán)成本。
隨著國際后處理合同到期終止,法國后處理產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出萎縮態(tài)勢,其本國核電公司EDF也嚴格限制乏燃料后處理量,并且與服務(wù)方歐安諾公司在后處理合同價格上存在較大分歧,導(dǎo)致法國乏燃料后處理能力過剩的同時,仍有累積乏燃料未經(jīng)處理。
不排除法國未來重新評估并調(diào)整乏燃料管理政策的可能性,英國和德國早期走后處理路線,由于種種原因,目前均已從閉式燃料循環(huán)調(diào)整為一次通過。
日本大型后處理廠建設(shè)遭遇嚴重拖期
日本從核能利用之初就堅定不移地走閉式燃料循環(huán)路線,并且提出了“ 钚經(jīng)濟”(Plutonium Economy)設(shè)想,通過實現(xiàn)核燃料的多次循環(huán)利用,將核能對鈾資源的依賴降到最低程度。
1966年日本引進法國和美國技術(shù),建設(shè)了東海后處理中試廠,1977年建成投產(chǎn),由日本原子能委員會(JAEA)管理運營,其設(shè)計處理能力為200噸/年,實際能力90噸/年,從1977年到2009年共處理了1140噸乏燃料,大部分為輕水堆乏燃料。2014 年,JAEA宣布將關(guān)閉東海后處理廠。同時,日本以商業(yè)合同的形式委托法國和英國處理了總計約7000噸乏燃料。
1993年,日本在北海道青森縣六個所村開始建造大型后處理廠(Rokashho Reprocessing Plant),主要工藝引進法國技術(shù),部分引進英國技術(shù),參照法國UP3后處理廠建設(shè),設(shè)計后處理能力800噸/年。
然而,六個所后處理廠在建設(shè)過程中遇到了技術(shù)與成本的雙重問題,其投運計劃不斷延后,于2006年3月進行了熱試,目前預(yù)計在2021年投運,前后歷時將近30年。
日本六個所后處理廠的建設(shè)歷程,反映出大型后處理廠在技術(shù)、設(shè)計和工程方面的難度和復(fù)雜性,大型后處理廠的建設(shè)客觀上面臨較大的工程難度和風(fēng)險。
對我國閉式燃料循環(huán)發(fā)展的啟示
截至2018年底,我國在運核電機組44臺,累積產(chǎn)生乏燃料數(shù)量約4800tHM,其中大部分暫存在核電站內(nèi)部的乏燃料水池中。
隨著我國核電規(guī)模的持續(xù)增長,乏燃料累積數(shù)量將大幅增加,按照2030年核電裝機1.3億千瓦測算,屆時乏燃料累積數(shù)量將接近3萬噸,但仍不及美國目前乏燃料累積數(shù)量的一半。
我國在上世紀80年代確定了閉式核燃料循環(huán)政策,“十三五”核工業(yè)發(fā)展規(guī)劃進一步明確了堅持乏燃料后處理的大政方針,已進入立法審批流程的《原子能法》將閉式燃料循環(huán)政策上升到法律層面。
在后處理能力建設(shè)方面,我國目前僅建成一座年處理能力60tHM的后處理中試廠,按照主管部門的相關(guān)規(guī)劃,我國將加快后處理科研攻關(guān)和能力建設(shè),按照從易到難、由小到大的思路,堅持自主創(chuàng)新,在掌握后處理關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上盡快形成能力,通過引進法國技術(shù),建設(shè)工業(yè)規(guī)模的大型后處理廠。
在加快推進后處理能力建設(shè)的同時,也必須充分認識到大型后處理廠建設(shè)面臨的難度和技術(shù)經(jīng)濟風(fēng)險,尤其須關(guān)注引進后處理大廠的建設(shè)成本和工程風(fēng)險,以核電的健康可持續(xù)發(fā)展為前提,以實現(xiàn)乏燃料的安全管理為目標,合理科學(xué)規(guī)劃大型商業(yè)后處理廠的建設(shè)時機和實現(xiàn)路徑。在總結(jié)國際核燃料循環(huán)發(fā)展經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國核燃料循環(huán)發(fā)展完善面臨的主要問題,提出以下建議。
第一,在堅持核燃料閉式循環(huán)政策的同時,認真研究和確定我國商用后處理大廠的建設(shè)時機和條件,促進我國核燃料循環(huán)后段產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
我國應(yīng)堅持核燃料閉式循環(huán)政策,著眼于建立基于快堆的閉式燃料循環(huán)體系。在統(tǒng)籌考慮核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)發(fā)展時,要特別注意后處理能力建設(shè)與快堆發(fā)展的銜接問題,不能過晚,也不能過于超前,避免重走英、法等國的彎路。我國后處理廠的建設(shè)時機應(yīng)當(dāng)以快堆產(chǎn)業(yè)化推廣時間為衡量基準,不能以乏燃料累積量為衡量基準。乏燃料累積問題完全可以通過中間貯存實現(xiàn)安全管理。
第二,對乏燃料管理政策和策略進行深入的研究,統(tǒng)籌規(guī)劃乏燃料的長期貯存。
美國核燃料循環(huán)政策從“一次通過”轉(zhuǎn)向“觀望”是一個重大政策轉(zhuǎn)變,“觀望”政策的核心是實行乏燃料的長期集中貯存,這一轉(zhuǎn)變的目的是為未來核燃料循環(huán)政策保留較大的選擇空間。我國未來的核電裝機規(guī)模很有可能將超過美國成為全球第一,乏燃料累積數(shù)量將非常龐大,乏燃料的中間儲存是必然選項,應(yīng)盡早進行統(tǒng)籌規(guī)劃。長期集中貯存既能為最終采取最優(yōu)化的核燃料循環(huán)方案保留選項,也能為我國閉式燃料循環(huán)各相關(guān)環(huán)節(jié)的發(fā)展提供緩沖期。
第三,國家層面應(yīng)做好統(tǒng)籌規(guī)劃,加大科研投入,集全行業(yè)力量攻關(guān)先進后處理和快堆領(lǐng)域的相關(guān)核心技術(shù)。
同時,應(yīng)系統(tǒng)研究制訂我國核燃料循環(huán)長遠技術(shù)路線和發(fā)展規(guī)劃,同步推進先進后處理-高放廢液分離-超鈾元素快堆利用等環(huán)節(jié)的研究開發(fā),最終建立“廢物最小化”和“資源最大化利用”的閉式燃料循環(huán)系統(tǒng)。