走近核电站乏燃料

2020-07-22 14:26  来源:中国核科技信息与经济研究院    核电  核电站  乏燃料  核环保  核安全

核能作为一种低碳、高效、安全、经济的清洁能源,对优化我国能源结构、促进节能减排和污染防治、推进生态文明建设具有重要的意义。发展核电是深入学习贯彻习近平生态文明思想,扎实落实党的十九大和十九届二中、三中、四中全会精神,推进绿色发展的战略选择。


核能作为一种低碳、高效、安全、经济的清洁能源,对优化我国能源结构、促进节能减排和污染防治、推进生态文明建设具有重要的意义。发展核电是深入学习贯彻习近平生态文明思想,扎实落实党的十九大和十九届二中、三中、四中全会精神,推进绿色发展的战略选择。核能发电所用的核燃料在核电站反应堆中使用到一定程度,必须更换新的核燃料。在反应堆内烧过一段时间并从堆内卸出的核燃料即乏燃料,又称为辐照核燃料。

乏燃料是放射性废物么?

乏燃料并非放射性废物。乏燃料中 95%的质量是未经燃烧的铀,大多数是铀-238,一小部分是铀-235,同时还会产生 1%左右的钚等新核素,而铀、钚等都是有用的核材料,真正产生的放射性废物并不多。

以一台百万千瓦级的压水堆核电站为例, 每年产生的乏燃料为 20~25 吨左右。例如, 铀-235 的纯度为 3.6% 的新燃 料(铀 -238 占96.4%)在反应堆中燃烧后,卸出的乏燃料中仍含有 96.2% 的 有 用 核 材 料 ( 其 中 铀 -238 占94.5%,铀-235 占 0.8%,钚占 0.9%),真正的放射性废 物(裂 变产物和次锕系元素)仅 占 4% 左右。我们可以看到,乏燃料并不“乏”,仍含有大量有用的资源。

乏燃料中有用的核材料提取后可制备成产品进行反复循环使用。千万别小觑了这类被回收再利用的核材料,它为世界第二核电大国/法国贡献了 17% 的电力。当前有研究报道称,乏燃料中的核材料可能有多种工业上、材料上的用途。例如,一些国家对乏燃料中稀有同位素的分离方法进行了研究,提取出的贵重金属如银和铂族金属钌、铑、钯,可以或多或少地补偿再处理的成本。

各国采取不同的乏燃料管理策略乏燃料的安全管理是保障核工业健康可持续发展的重要前提和基础。世界上有核国家对乏燃料的管理普遍高度重视,并根据各国国情和核能发展情况分别制定了相应的管理策略。一种是对乏燃料进行后处理,提取回收铀、钚等核材料,以实现资源的最大化利用,减少高放废物量,确保乏燃料管理安全和公众安全,代表国家主要有法国、日本、俄罗斯等;另一种是“一次通过”,即对乏燃料不进行后处理,如美国、芬兰、瑞典等;还有一些国家采取“ 等等看”,对乏燃料进行暂存,根据研究进展等情况延后决策, 代表国家有阿根廷、韩国、巴西等。

早在上世纪八十年代,我国领导人就高瞻远瞩,确立了“ 热堆— 快堆— 聚变堆”三步走的核能发展战略和“对乏燃料实施后处理”的核燃料闭式循环政策。通常,压水堆核电站铀资源的利用率仅为 0.5%左右,如果对乏燃料进行后处理,回收出来的铀在压水堆再循环利用一次, 可以节省 25%的天然铀;若将后处理得到的铀、钚富集后剩下的贫铀用于快堆燃料,铀资源利用率将可达到 60% ~70% 。总的来说,乏燃料后处理的优势很多,可以提高铀资源利用率,可将乏燃料“变废为宝”“变废为少”。

乏燃料的安全管理涉及多个环节

乏燃料不仅含有大量有用的核材料,也含有大量放射性元素,必须加以妥善管理。乏燃料的处理处置主要涉及乏燃料贮存、运输、后处理、高放废物深地质处置等环节。

乏燃料运输

乏燃料运输是连接乏燃料贮存设施、后处理厂、高放废物深地质处置库不可缺少的环节。乏燃料运输就是在安全的防护措施下,采用特殊容器和专用运输工具,将乏燃料从一地转运到另一地的过程。

乏燃料贮存

按照贮存方式,乏燃料贮存可分为湿法贮存(水池贮存)和干法贮存。核电站反应堆卸出的乏燃料首先暂存在核电厂内装满水的乏燃料水池,水可以吸收大量的残余热量,因此每座核电站都建有配套的乏燃料水池。由于核电站乏燃料存储能力有限,并且只能作为暂时贮存方式,冷却到一定程度的乏燃料需要从乏燃料水池移出,在最终处置方案确定前,可以放入特制的干式贮存桶或者湿法中间贮存设备以进行中长期贮存。

乏燃料后处理

乏燃料后处理就是采用化学工艺从乏燃料中回收提取未用尽的铀和新生成的钚。如果我们将乏燃料简单视为放射性废物,将其中的废 物(裂变产物和次锕系元素)与大量有用的资源(铀、钚等)一起直接处置,不仅会造成严重的铀资源浪费,还将大大增加需要深地质处置的放射性废物体积。

高放废物深地质处置

高放废物深地质处置,是指将高放废物存放在稳定的地质构造中,一般在离地表 500~1000 米甚至更深的地质体中。具体来说,就是将乏燃料后处理后剩余的高放废物进行玻璃固化,之后再放到至少 500 米深的地层内埋掉,使高放废物永久与人类的生存环境隔离。

乏燃料处理处置能力建设稳步推进

我国早在上世纪九十年代就开展了乏燃料运输相关研究,2000 年正式启动乏燃料公路运输体系建设,至今已建立了相对完善的乏燃料公路运输体系,并具有多年的安全运输经验。随着乏燃料运输需求的快速增长,乏燃料公路运输模式将不可持续。

当前,乏燃料“ 公路— 铁路— 海路”的多式联运体系正在紧锣密鼓推进,预计 2021 年投入运行,这将为未来我国核电站乏燃料的大规模运输提供更为经济、高效的运输保障。

1991 年 4 月,我国开工建设国内首座动力堆乏燃料后处理中试厂。2010 年 12 月 21 日, 该后处理中试厂热调试取得成功,实现了核燃料闭式循环的目标,有力地推动了核燃料、核电产业的快速发展。

为我国先进后处理工程技术的开发提供了重要的研究实验平台,标志着我国已掌握动力堆乏燃料后处理技术。

当前,乏燃料后处理中试厂及配套的乏燃料离堆贮存水池正在安全稳定运行,积累了大量的设施安全运行经验,储备了一批后处理方面的管理和技术人才。中法合作的乏燃料商用后处理大厂正处于技术谈判、选址等阶段。

为有效应对部分核电站的乏燃料贮存设施逐步满容的情况,避免核电站停堆的风险,解决短期内需要离堆外运的乏燃料的去向问题,乏燃料离堆贮存规划布局与设施建设正在有序推进。

我国高放废物深地质处置研究工作始于上世纪八十年代中期,几十年来在选址、工程屏障等方面取得一定进展,计划 2020 年建成我国首座深地质处置地下实验室。

总的来说,核电站反应堆内卸出的乏燃料并不是简单的放射性废物,里面仍含有很多有用的资源。通过实施乏燃料后处理,回收提取可利用的部分并加以重复使用,无论从推行循环经济,还是保障生态环境安全和公众健康方面来看,都有着极其重要的意义和价值。

(作者单位:刘敏 石安琪石磊 张红林 李林蔚 王鹏飞 郝强,中国核科技信息与经济研究院;李志华,中核核电运行管理有限公司)

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