安全核電的全球經驗

辛妍

關于如何確保核電站的安全運行，以及如何處理使用過的核燃料，以期為我國的核電工業提供借鑒，尤其是安全上的重要借鑒

目前，世界上有13個國家依靠核能提供至少四分之一的總發電量。2012年，核電站提供了全球電力的12.3%。截至2014年5月，全球30個國家正在運營的用于發電的核反應堆有435個，有15個國家共有72個新的核電站正在建設中。對清潔空氣的關注是世界各地在建的72個反應堆（其中五個在美國）的一個主要原因。

核能是到目前為止最大的不會產生任何空氣污染的電力來源，也是唯一一個可以全天候生產大量電力的來源。它不受不斷變化的天氣條件、不可預知的燃料成本波動的影響，使用濃縮鈾為燃料，核能設施能夠產生成本低、價格穩定的電力。一個鈾燃料芯塊——只有鉛筆擦的尖的大小——產生的能量相當于481立方米的天然氣，807公斤的煤，或是564升的石油。同時，核能是最高效的電力來源，在2012年，其平均運營效率達86%，而相比之下，天然氣為56%，煤炭為55%，風能為31%，太陽能為27%。

任何國家的主要行業都是受政府監管的，對核電而言，國家監管機構在審批所使用的技術、選址以及如何運行中發揮著重要作用。除了各國政府以外，聯合國國際原子能機構（International Atomic Energy Agency，IAEA）負責執行關于核電的國際協定，特別是核不擴散條約（Nuclear Non-Proliferation Treaty，NPT），在促使為和平利用原子能而進行國際合作的同時，在民事程序上提供相互保證。另外還有一些通過世界核電營運協會（World Association of Nuclear Operators，WANO）的不太正式的國際合作，在提高反應堆運行的安全性和可靠性，并使其保持高標準中發揮著重大作用。

核電安全

核電的安全問題一直備受關注，各國為發展安全核電也一直在不懈努力。

核能工業是美國最安全的產業之一，它受到有多個備份的安全系統、強大的物理防御和訓練有素的電站安全人員的保護。自9·11恐怖襲擊以來，該工業不斷改進其安全系統而為應對新出現的威脅做準備，比如寬體商用客機的撞擊或網絡攻擊。每個美國核電站都配備多方面的安全措施，以保護設施免受入侵，同時保障公眾免受發生破壞行為時暴露于放射性物質釋放中的可能性。另外，幫助核反應堆及其安全設備運行的計算機系統是與互聯網隔離的，以防止外界侵擾。同時，核工業也采取措施，以確保其核電站免受網絡襲擊。核電行業成立了專門小組，為防止網絡漏洞制訂了全面的保護準則。

反應堆本身通常受具有厚鋼內膽的大約1.2米厚的鋼筋混凝土保護，反應堆壓力容器由15厘米厚的鋼制成。鋼筋混凝土安全殼結構被設計為可以承受許多自然災害的沖擊，包括颶風、龍卷風、地震和水災，以及具有相當大的力量的空中飛行物，比如寬體商用客機。

美國核管理委員會（NRC）監管商業和機構用核能，包括核電站。NRC在三個戰略領域監控核電站的性能：反應堆安全、輻射安全和防護措施。訓練有素且獨立的核管理委員會檢查員在每個核電站的運營、維護、設備更換和培訓進行現場監督。美國的每個核電站都有詳細的緊急情況響應計劃。運營商定期與當地、州和聯邦應急反應組織一起，共同檢測計劃。同時，每兩年每個核電站必須在地方和州政府機構的協調下，進行一次全面的應急演習。另外，美國政府在每個核能設施周圍都設立了16公里的應急計劃區，以在發生嚴重反應堆事故時保護公眾。如果事故嚴重，應急管理領導人將指示公眾躲避或撤離，以避免暴露于潛在的放射性物質泄漏中。當有輻射釋放時，國家和地方政府將核設施周圍方圓80公里內的區域進行水、牛奶、土壤和作物采樣，以確定是否有輻射沉積。

在美國，在核電站開始生產電力之前，放射性環境監測計劃就已經開始著手對當地環境的放射性背景進行基本調研。該計劃在電站周圍建立固定監測臺站，對空氣、地表水和地下水、本地農場的牛奶和植被等進行采樣。電站經營者還會把樣本送往州和聯邦監管機構進行獨立核查。

美國大多數核電站沿湖泊、河流或海岸而建，因為站內設施需要使用水來冷卻反應堆。在核電站中用于制造蒸汽的水會被留在嚴格封閉的循環系統中。核電站排放的冷卻水必須符合聯邦清潔水法案的要求和國家規定的標準，以保護水質及水生生物。核管理委員會還審查電站的運行，以確保對水質和水生態環境不會造成任何不利的影響。比如位于馬里蘭州的切薩皮克灣（Chesapeake Bay）沿岸的Calvert Cliffs核電站開始運營的七年之前，科學家們就開始研究當地的海洋生物，包括藍蟹、牡蠣和魚。超過30年的數據表明，Calvert Cliffs核電站對當地海洋生物沒有不良影響，并且事實上還有一些物種受益。

在促進美國安全、高效的核電站運行方面，行業組織也發揮了重要作用。比如國際性組織世界核電運營商協會（World Association of Nuclear Operators，WANO）整合全球范圍內核電站的最佳實踐和運營經驗，以提高核電站的安全性和可靠性。WANO每年收集美國及世界各地的核電站的性能信息；核電業務研究所（Institute of Nuclear Power Operations，INPO）通過設置核電站運行的行業性能目標、標準和準則，以及對核電站進行定期評估，來促進美國核電站高水平的安全性和可靠性；非贏利性組織保健物理協會（Health Physics Society，HPS）由各個科學領域中的專業人員組成，其目的是促進輻射安全，它為很多組織——包括學術界、醫藥界、政府和核工業——提供處理放射性材料的信息。

2011年3月的日本福島第一核電站嚴重事故發生后的幾天之內，美國核能工業就做出反應，汲取日本事故的經驗教訓，采取步驟進一步加強美國核反應堆的安全。比如他們檢查核電站，以確保它們能夠承受類似的極端自然事件。此外，整個行業通過了一項戰略，以確保在日本事故中汲取的經驗教訓迅速并有效地應用在美國的反應堆。其他大多數國家采取了與美國類似的方法并保持其設施運行。

為保證安全，法國有滾動十年的反應堆評審。英國的反應堆壽命延長由業主基于商業理由做出決策，而決策的背景是核條例辦公室對所有反應堆進行的10年安全評審，該評審在任何情況下將關閉被認為不安全的任何電站。

核廢料處理

對使用過的核燃料的處理包括臨時存儲、回收、運輸和最終地質處置等。

高放射性廢棄物只占核能發電產生的廢棄物總量的3%，但它們包含95%來自核能發電所產生的放射性。低放射性廢棄物占放射性廢棄物總量的90%，但只占放射性的1%。目前，世界上大多數使用過的核燃料沒有被回收，但對使用過的燃料再加工從中恢復鈾（如后處理鈾，即后鈾，RepU）和钚（Pu），避免浪費寶貴的資源。用過的燃料中有96%是鈾，有不到1%的钚，其余3%為高放射性廢棄物。經過再加工的后鈾和钚已經被循環利用到新的燃料中。钚與鈾以氧化物的形式混合被稱為混合氧化物燃料（mixed oxide fuel ，MOX）。

高放射性廢棄物在數千年后都還會保持高放射性，因此它們需要在建于地下深處堅固的地質結構工程設施中進行處置。雖然目前沒有這樣的設施在運營，但其可行性已被證實，有幾個國家已經在設計和建造它們的過程中。中放射性廢棄物和低放射性廢棄物會在許多已經建成的貯存庫進行更接近地表的處理，無需屏蔽。并且，對低級別放射性廢棄物的處置與一般市政垃圾填埋場差別不大。

核燃料在反應堆中使用一次之后拆除并轉移到貯存庫進行最終處置，是一種“直流通過”的燃料使用，被稱為“開放式”燃料循環。鈾燃料的回收和再利用被稱為“封閉”燃料循環。跨出“開放式”燃料循環將需要各種因素共同作用，比如需要先進的反應堆、新的政策以及持續的金融投資等。

下面分別介紹一下世界上幾個主要核電國家的核廢料處理經驗。

美國

由于經濟和國家安全的原因，美國不回收用過的核燃料。美國核能工業近50年產生的使用過的核燃料如果端到端堆疊的話，覆蓋的面積將有一個足球場的大小，深度不到9.2米。大多數使用過的核電站燃料被存儲在注滿水的鋼襯鋼筋混凝土池中，或是存儲在密閉的鋼或鋼筋混凝土容器中，對安全系統堅持不懈地監控和維護確保這些容器的安全性。使用過的核燃料已經被安全地保存了約50年。在2011年3月日本福島第一核電站的事故中，被存放在池中的使用過的核燃料在地震和海嘯得以幸存而未受嚴重破壞，這也證明了存儲池設計的穩健。但福島事故發生后，美國核能產業仍是立即采取了措施，通過安裝更精密的儀器來監測燃料存儲池的情況。

短期內，使用過的燃料還將會儲存在核能設施場址。但核能設施的初始設計和施工僅為用過的核燃料提供一、二十年的存儲，而不是對其長期進行儲存。聯邦法律要求美國能源部從1998年開始將使用過的燃料從場址移出，但實際行動至今尚未開始，其結果就是許多核電站的存儲池容量已經被用光。最終，政府會將其轉移，并把無法使用的最終產品放置在深的地質貯存庫中。各界均支持在愿意收容的社區和州為使用過的核燃料的臨時儲存建設統一的設施，在尤卡山（Yucca Mountain）或其他區域建立這樣的設施取得了實質性進展。

在美國，使用過的核燃料的運送需要使用滿足嚴格的安全和保障要求的巨大的密封容器。容器的設計和制造由核管理委員會控制與核準，以確保容器在正常運輸條件下和嚴重事故期間均能保持其完整性。大多數運輸采用鐵路，當鐵路不能抵達時需要靠公路，但只能沿著指定的路線進行。

目前，聯邦政府計劃開發先進的回收技術，以充分利用以使用過的核燃料中未被利用的能量，并且減少需要處理的副產品的數量和毒性。業界支持研究開發和示范改進先進的燃料循環技術，關閉核燃料循環，從而有可能減少在貯存庫中放置的副產品的數量、熱量和毒性。

法國

法國一開始就選擇了閉式燃料循環，涉及再處理使用過的燃料，以回收鈾和钚進行再利用，并減少高放射廢物的處置量。回收可以從原始鈾中提取30%的能量，并極大減少需要處理的廢棄物的量。在反應堆現場的池中儲存使用過的燃料相對短暫。2011年下半年，法國電力公司70%使用過的燃料都存儲在池中，19%在干桶中，11%已被重新處理，總儲量為1.42萬噸。法國每年產生約7300噸貧鈾尾料，使用過的MOX燃料和RepU（后鈾）燃料被存儲起來，以待后處理以及為第四代快速反應堆使用的钚。到2040年，這一資源預計將達到約45萬噸貧鈾（DU）。目前使用過的MOX燃料沒有被進行再加工。

貧鈾尾料濃縮在俄羅斯的Novouralsk和Zelenogorsk進行。在2006到2009年間，來自AREVA（阿海琺）和法國電力公司（EdF）的3.3萬噸法國貧鈾尾料已被送往俄羅斯，到2010年5月，約有3090噸濃縮的“天然”鈾（約含0.7%的U-235）已返回法國。重新濃縮后產生的尾料留在俄羅斯作為濃縮商的財產。

來自法國和其他國家的反應堆使用過的燃料被送到AREVA在La Hague的廠進行加工處理。處理提取99.9%的钚和鈾進行回收，已使用燃料的3%殘留成為高放射廢棄物，被玻化并儲存在那里待以后處置。法國的后端戰略和產業發展是逐步進化的，符合未來的需求和技術發展。現在位于La Hague（1990年左右投產）的電站的設計工作壽命至少為四十年，隨著持續的運行和技術改進，預計可以運行到2040年左右，而那時第四代核核電站（反應堆和先進的處理設施）應該已經投產。因此，未來十年有三個主要研發領域：一是基于鈾和钚的共萃取和共沉淀以及純鈾流（消除自身的任何钚分離）的COEX過程。這是專門為第三代回收廠設計的，目前接近產業部署。二是基于優化的為第四代以鈾為一般燃料的快速中子反應堆回收的IAMEX-SANEX過程，從短壽命的裂變產物中的選擇性地分離長壽命放射性核素。三是將分類萃取錒系元素（GANEX過程）作為一個長期的研發目標，均質回收的錒系元素（如鈾-钚加上次錒系元素）是第四代快速中子反應堆的驅動燃料。更長期的目標是鈾、钚和次錒系元素的集成回收。就實際情況而言，大約在2040年，需要有一項技術（希望是GANEX或類似技術）經過驗證，以配合第四代快速反應堆的產業布局。而在此階段，目前的La Hague工廠將需要到期更換。

法國的核廢物處理貫徹1991年的廢物管理法案（2006年更新），國家放射性廢棄物管理局（National Radioactive Waste Management Agency，ANDRA）確立研究方向。全國科學評估委員會（National Scientific Assessment Committee）評估高級別和中間級別廢棄物在三個方面的研發：深層地質處置、分離和嬗變以及核廢料臨時儲存。關于分離和嬗變，以及在一定的限制下對廢棄物進行長期地表儲存的研究都在進行中。國家放射性廢棄物管理局每兩年出版一次廢棄物庫存數據并向政府報告，以便議會能夠對廢棄物政策做出決定。

在國民議會和參議院大力支持下，2006年6月通過了核材料和廢棄物管理計劃法案（Nuclear Materials and Waste Management Program Act），適用期15年。法案正式宣告將深層地質處置作為高級別和長壽命的放射性廢物的參考解決方案，并計劃2015年通過貯存庫許可，2025年開始使用。法案也肯定了再處理使用過的燃料和回收利用钚和鈾的原則，以減少最終廢棄物的數量和毒性，并呼吁在2020年建成一個第四代反應堆的原型，以測試長壽命錒系元素的嬗變。2006年的核材料和廢棄物管理計劃法案在放射性廢棄物和物質方面規定了三個主要原則：減少的數量和毒性、放射性物質及最終廢棄物的臨時儲存，以及深層地質處置。

加拿大

2007年，政府決定將用過的燃料和高級別放射性廢棄物放入深地質處置貯存庫，如果有需要以后可以取回。深地質處置庫要把核廢料掩埋在地下500至1000米的穩定巖石之下。廢棄物會被放在地下水位以下，以銅或鈦容器密封。到2012年底，加拿大有4.6萬噸使用過的燃料存儲在反應堆場址，并且每年會增加近1500噸。

基于當地居民強烈的正面回應，安大略電力公司（OPG）在2005年計劃興建一個用于掩埋低級和中級放射性廢棄物的深地質貯存庫，容積大約有20萬立方米。貯存庫將位于安大略電力公司的西廢物管理設施（Western Waste Management Facility）的680米之下，該設施自1974年以來一直在運作，它存儲了安大略電力公司20個核反應堆的低級和中級放射性廢棄物。環境評估和許可申請已經開始進行，并且在2011年4月，安大略電力公司向加拿大核安全委員會（Canadian Nuclear Safety Commission ，CNSC）提交了一份12，500頁的環境評估報告。

韓國

韓國是開放的燃料循環，沒有濃縮或再加工。目前，低級和中級的放射廢棄物都存儲在反應堆場址，并在每個場址進行減容處理，如干燥、壓實等。位于慶州的200公頃的中央處置庫正在興建中，以存放這些廢棄物。Candu燃料經過6年冷卻后進行干式貯存。長期的設想是建造深地質處置貯存庫，到底是儲存使用過的燃料，還是只是分離的高級別放射廢棄物取決于國家政策。

由于受制于韓國與美國的合作協議，無論是國內還是國外，使用過的核燃料再加工都是不可能的。該協議于2014年3月屆滿，但目前已延期到2016年。2012年11月，關于待處置的使用過的燃料的存儲開展了公眾咨詢，因為反應器場址的存儲容量已經達到71%。

瑞典

瑞典在使用過的核燃料處理方面一直走在世界前列。它對一些低放射性廢棄物在反應堆現場進行處置，有些在位于Nyk？ping的焚化設施被焚燒。專用船只將使用的燃料和廢棄物運送到存儲庫。

一個位于Forsmark附近，針對可操作的（即最多是中級放射性）放射性廢棄物和醫療及工業放射性廢棄物的最終地下存貯庫已于1988年開始運行。它的容積達到6.3萬立方米，每年接收約1000立方米。這也是sthammar地方社區建議的最終高放射廢棄物存貯庫可選地點之一，它低于波羅的海約50米。

位于Oskarshamn的用于存儲使用過的核燃料（視為高放射性廢棄物）的CLAB中期庫自1985年開始運營，原來的5000噸容量已擴大到8000噸，以服務目前所有的反應堆中使用過的燃料。使用過的燃料被儲存在水下一個地下巖洞中40～50年。然后，將被封裝在有鑄鐵內部結構的銅罐中，并最終以膨潤土包裝，放置在500米深的花崗巖存儲庫中。

英國

英國擁有完整的燃料循環設施，包括大型再處理廠。從一開始，英國在轉化、濃縮、燃料制造、后處理和廢棄物處理上一直自給自足，鈾依靠進口。

英國的Springfields，有一個6000噸/年的轉化廠，濃縮在位于Capenhurst的工廠進行。Urenco正在規劃建設在Capenhurst建立7000噸/年的逆轉換廠，或者叫尾料管理設施，并預期于2014年運營。加工后的貧化鈾將被以化學上更穩定的U308形式進行儲存。熱氧化后處理廠（Thermal Oxide Reprocessing Plant，Thorp）于1994年投產，截至2010年初，已為海外及國內客戶處理約6000噸使用過的燃料。為出口制造的混合氧化物燃料（MOX）一直在Sellafield MOX工廠進行。由于英國有超過100噸的钚存儲，因此正在考慮建立一個新的MOX工廠。

英國的大多數放射性廢棄物是開拓發展核電的遺留物。固體低放射性廢棄物將在Sellafield 附近的一個120公頃的低放射性廢棄物處置庫（Low Level Waste Repository ，LLWR）進行處置，該庫于1959年開始運作。中放射性廢棄物被儲存在Sellafield和其他來源點，等待處理。目前在Oxfordshire的Harwell有一個2500立方米的退役廢棄物處理庫正在計劃中。后處理產生的高放射性廢棄物（High-level waste ，HLW）被玻化放入不銹鋼罐，并儲存在位于Sellafields存貯庫中。一個針對使用過的燃料的干桶貯存庫正在Sizewell B興建，預計2015年開始運行。為了冷卻，所有的高放射性廢棄物處置前要存放50年。

有人說，核電已經走向了末路。但實際上，在世界上許多地區，核電仍相當具有生命力。根據世界核協會（World Nuclear Association）網站上的報告，在歐洲的芬蘭和法國，核電都處于建設中；英國政府大力支持在未來10年建造12座新反應堆，以取代其老化設備；即使是遭受了毀滅性的海嘯、并且其福島第一核電站的核設施慘遭破壞的日本，也在緩慢而精心地重新激活在2011年3月災難發生后被關閉的一些核電站。不論全球核電如何發展，有一點毋庸置疑，那就是保證安全，目前的核電大國無一不是把核安全放在首位。失去安全的核電將抹煞其可能具有的一切優勢。