中国乏燃料后处理现状与分析

中国乏燃料后处理现状与分析

刘亚平

中核兰州铀浓缩有限公司甘肃省兰州市730065

摘要：“核废料处理厂”的正式名称应该是乏燃料后处理厂。该厂将核电厂用过的核燃料，即乏燃料，用化学方法处理，回收仍可继续利用的铀、钚等元素，并产生较多的放射性废料，包括高放射性和中低放射性废料。乏燃料后处理厂一般也作为核电厂卸除燃料的场外保存地，能够存放较多的乏燃料，以缓解核电厂乏燃料的存放压力。后处理厂一般还会有一个铀钚混合燃料（MOX燃料）厂，以直接将后处理提取出来的钚制成核燃料组件。在找到最终处置地之前，后处理形成的各种放射性核废料要暂时堆放在后处理厂。本文作者对中国乏燃料后处理现状进行了详细的分析，并提出了一些作者自己的观点和看法，共大家学习和借鉴。

关键词：中国；乏燃料后处理；现状；分析；

1、引言

乏燃料后处理是核燃料循环后段中最关键的一个环节，是对目前对核反应堆中卸出的乏燃料的最广泛的一种处理方式。为了应对化石燃料的短缺和保证能源安全，核电因其清洁性和高能量密度而受到青睐，进入了一个积极发展期，由此也带来了对核电站卸下的乏燃料进行有效管理的问题。

目前，对于乏燃料的管理，国际上主要有两种战略考虑：其一是后处理战略。即对乏燃料中所含的96%的有用核燃料进行分离并回收利用，裂变产物和次锕系元素固化后进行深地质层处置或进行分离嬗变，这是一种闭路核燃料循环。其特点是铀资源利用率提高，减少了高放废物处置量并降低其毒性，但缺点是费用可能较高，可生产高纯度的钚，有核扩散的风险。其二是一次通过战略。即乏燃料经过冷却、包装后作为废物送入深地质层处置或长期贮存，美国曾经支持此战略，但其最终处置场尤卡山项目碰到了困难，现在美国已转向了后处理。该战略特点是费用可能较低，概念简单；无高纯钚产生，核扩散风险低。但缺点是废物放射性及毒性高，延续时间长达几百万年；没有工业运行经验。

2、乏燃料后处理的优点和必要性

乏燃料后处理是我国早已确定的技术路线。1983年，国务院科技领导小组召开全国专家论证会，经过对我国核电发展计划、国内外铀资源情况、国内后处理工艺技术发展水平、后处理的安全性、经济性等诸多方面的充分论证，确定了“发展核电必须相应发展后处理”的战略，并在1987年日内瓦国际会议上对外公布了这一决定。

2.1后处理可以充分利用铀资源，保障核电可持续发展。

发展后处理工业是保证我国核电可持续发展的重要环节。压水堆核电站乏燃料中铀-235为0.8％～1.3％，比天然铀中的铀-235的含量0.71％还高。另外还有新生的可裂变物质钚-239。通过后处理可从乏燃料中回收有用的铀和钚，再制成UO2或MOX燃料返回热堆或快堆使用，大大提高铀资源的利用率。据专家测算，将后处理得到的铀和钚返回压水堆中使用可节省天然铀30％左右。如果能实现快堆和后处理的核燃料闭式循环，铀资源利用率可提高60倍左右，这意味着本来仅能使用50～60年的天然铀就可利用3000余年。

2.2后处理可以使放射性废物减容和降低毒性。

后处理不仅可显著地减少需长期深地质层处置的核废物体积，而且可使最终废物的放射性毒性大幅度降低。动力堆卸出的乏燃料如果按“一次通过式”处理方式进行长期深地质层处置，高放废物量约为2m3/tU。按现在国际上运行的后处理厂的水平，乏燃料经过后处理后产生的高放废物量约为0.5m3/tU，仅为前者的1/4。按照目前后处理工艺技术的水平，铀、钚的回收率可达99.75%，使最终处置废物的放射性毒性降低一个数量级以上。

3、中国乏燃料后处理现状与分析

3.1乏燃料处理方式现状

据了解，当今有核国家乏燃料处理方式有三种：一是送往后处理设施，从废物中回收其中所含的铀和钚，二是存放在中间贮存设施，三是放入地质处置库进行最终处置。

目前，世界范围内的大多数乏燃料都贮存在其来源地的核电厂。根据选定的处置路线，最终处置库可能因此接收未经处理的乏燃料，或一般废物，或两者都接收。处置库是用于处置乏燃料等核材料的地下装置，通常位于地面以下数百米深处，能够确保放射性核素与生物圈长期隔离的稳定地质构造中。

据悉，国际上核燃料循环分为闭式核燃料循环和一次通过式核燃料循环两种技术路线。闭式核燃料循环是指回收乏燃料中的铀、钚等易裂变材料以及可以利用的次锕系元素等物质，易裂变材料再加工制造成核燃料组件，其他放射性核素作为废物最终处置；而一次通过式核燃料循环是指将乏燃料作为放射性废物直接最终处置。

3.2乏燃料后处理缺点分析

3.2.1代价高昂。

由于处理涉及天量的放射性，工作环境需要极端的保障措施，一旦发生一点意外，后果就很严重。一座年处理能力800吨的化工厂，本来应该是一个很小的厂子。大型化工厂都是从十万吨开始算的。如果处理普通化学产品，也就一个80年代的乡镇企业。但是我国的规划造价已经到了2000亿元。由于事故的可能，代价的一部分也表现在需要比较大的隔离区。

3.2.2有非常大的放射性存量。

核电厂运来的乏燃料，处理后产生的高放核废料，在最终处置地就绪之前，必须暂存在后处理厂。放射性存量超过一座大型核电站。庞大的放射性存量意味着巨大的潜在风险和超强的安保需求。

3.2.3建设周期长。

按照规划，如果后处理厂能够在2020年开工的话，2030年左右才能建成。对于现在乏燃料池已经饱和和即将饱和的核电厂，无法解救燃眉之急。规模那么大，而且相当敏感的国际合作项目，能否按照计划进行，实际要打一个问号的。法国已经确定降低核电比重，其核电运营企业财务状况相当糟糕，人才流失和后继乏人都在所难免。日本于1989年开工的六所村后处理厂项目，规模也是每年800吨，完工时间已经推迟了23次，最新的计划是到2018年才能开始处理乏燃料。费用也比预计的多了两倍，达到3万亿日元。考虑到日本核能发展前景不明朗，即使按照最新计划建成，项目能够发挥的作用也要大打折扣。

3.2.4以前支持后处理的几条理由后来发现都有问题。

（1）提高铀资源利用率。后处理虽然能够提高，但是非常有限。一般说法，后处理能提高25%的铀资源利用率，从开始的0.37%提高到约0.46%。但提高这一点效率的代价实在太高了。打个比方，有点像把别人吃过的西瓜皮捡起来，用非常先进的技术剔下没有吃完的瓜瓤，进行复杂的清洗，消毒，增甜，再按照市场上的西瓜单价卖给消费者。如果市面上西瓜的价格是1块钱1斤，这样循环利用后的西瓜瓤成本就是10块钱1斤，但是只能卖1块钱1斤。新生产的混合燃料不仅成本高，还不好用。用完之后产生更多的超铀元素，成分复杂，难以处理。现有的后处理技术已经不能再处理燃烧后的混合燃料。（2）减少最后处置的放射性量。虽然的确如此，但是考虑到封装，减少的处置物体积只有一半。无害化时间也的确缩短了，但是1000年和100000年现在都做不到。（3）为快堆运行制备燃料。全世界经过70年，1000亿美元以上的投入，发现快堆并不像想象的那么容易。法国，日本都在快堆上吃过大亏。到现在为止，快堆，特别是钠冷快堆，技术上是不可用的。（4）为核电厂纾解乏燃料存储困难。这一点并不难，不需要后处理厂也行。

3.3我国乏燃料处理状况分析

伴随核电发展，我国后处理事业有了突飞猛进的发展。我国经过多年的实践和探索，全面掌握了后处理工艺、关键设备制造技术，建成动力堆乏燃料后处理中间试验工厂，2010年12月完成热调试，其中乏燃料水池从2003年开始接受大亚湾核电站的乏燃料，至今已成功运行12年；建成乏燃料后处理放化综合实验设施等一批重大设施和装置，作为后处理实验和锕系元素的研发平台，为我国科研能力建设打下了坚实基础；高放地质处置库实验室前期工作取得进展。另外，中核集团与法国阿海珐于2013年签署了我国大型商业后处理—再循环工厂合作项目，处理厂建成以后，将具备每年可处理800吨乏燃料的能力。

4、结束语

乏燃料后处理是充分利用铀资源,保障核能可持续发展,保护环境的关键技术之一,国际上有核国家如何对待处理乏燃料,是每个有环保意识,关心核电发展的人关切的问题。

参考文献

[1]比利时的乏燃料管理[J].伍浩松.国外核新闻.2001(09).

[2]主要核电国家乏燃料贮存政策与体系[J].陈思喆.国外核新闻.2017(09).

[3]日本组建乏燃料后处理机构[J].伍浩松.国外核新闻.2016(10).