國內(nèi)外乏燃料后端處理

田　偉，袁順利

(山東核電有限公司，山東 煙臺　265116)

國內(nèi)外乏燃料后端處理

田偉，袁順利

(山東核電有限公司，山東 煙臺265116)

摘要：對乏燃料進(jìn)行安全環(huán)保的后端處理是核能健康發(fā)展的可靠保障，我國和國際核電先進(jìn)國家都對此十分重視。分別從總體需求、儲存、運(yùn)輸現(xiàn)狀等方面介紹了國內(nèi)外乏燃料后端處理現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：吊裝運(yùn)輸；循環(huán)處理；乏燃料

1我國核燃料循環(huán)后端處理情況分析

1.1我國乏燃料后端處理總體需求

根據(jù)我國核電中長期發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2020年，中國在運(yùn)核電裝機(jī)容量達(dá)到5 800萬kW，在建3 000萬kW。隨著更多核電機(jī)組投入運(yùn)行，產(chǎn)生的乏燃料的數(shù)量也在迅速增長，平均每年增加500組以上，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到9 500組左右；需要從電廠發(fā)運(yùn)的燃料組件也存在迅速增加的現(xiàn)象，平均每年增加200組以上，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到3 500組左右。因此，我國對乏燃料儲存、運(yùn)輸?shù)膲毫υ絹碓酱蟆０踩⒔?jīng)濟(jì)地處理處置乏燃料已成為中國核電可持續(xù)發(fā)展必須解決的重大問題。

1.2我國乏燃料運(yùn)輸現(xiàn)狀

目前我國的燃料運(yùn)輸能力建設(shè)還尚待加強(qiáng)，存在下列不利因素：①運(yùn)輸能力有限：缺少乏燃料運(yùn)輸容器；②我國核電站都位于東部沿海地帶，而乏燃料后處理廠在我國西部區(qū)域，因此乏燃料運(yùn)輸路線長，運(yùn)輸時(shí)間長，乏燃料運(yùn)輸過程中不設(shè)置中間貯存；③乏燃料存在較高的放射性，其運(yùn)輸?shù)陌才乓M量避免受重大社會(huì)活動(dòng)、事件影響。

1.3我國乏燃料后處理情況

我國自主設(shè)計(jì)建造的中試廠：1986年由國家計(jì)委批準(zhǔn)立項(xiàng)，1991年4月開工建設(shè)動(dòng)力堆乏燃料后處理廠(中試廠)，該廠已于2010年1月通過建設(shè)階段驗(yàn)收。中試廠是我國自主設(shè)計(jì)、建造、管理的唯一一座動(dòng)力堆乏燃料后處理設(shè)施，屬于科學(xué)研究和工程開發(fā)性質(zhì)，其任務(wù)是通過實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)，驗(yàn)證工藝流程及操作參數(shù)，驗(yàn)證主要工藝設(shè)備。檢修設(shè)備及儀器儀表的實(shí)用性、可靠性和安全性。為今后我國設(shè)計(jì)、建造工業(yè)規(guī)模的動(dòng)力堆元件后處理工廠提供設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)后處理技術(shù)人才。

引進(jìn)商業(yè)后處理大廠情況：2013年4月25日，中核集團(tuán)與法國阿海琺集團(tuán)正式簽署了商業(yè)后處理大廠合作意向。后處理大廠具備年處理800t乏燃料的能力。

1.4我國乏燃料后處理處置基金規(guī)定

2007年淮河大水期間，溫家寶總理親臨濛洼蓄洪區(qū)慰問，給當(dāng)?shù)厝罕姌O大的精神鼓勵(lì)。洪水過后，有關(guān)部門按照 《蓄滯洪區(qū)運(yùn)用補(bǔ)償暫行辦法》的規(guī)定，迅速開展了損失登記、核查及補(bǔ)償資金的發(fā)放工作。在補(bǔ)償工作中，各級政府堅(jiān)持公開、公正、公平的原則，做到補(bǔ)償政策和標(biāo)準(zhǔn)、損失財(cái)產(chǎn)實(shí)物量、分戶損失價(jià)值、分戶補(bǔ)償金額等“四公示”。2007年淮河大水影響人口67.5萬人，共計(jì)發(fā)放補(bǔ)償資金4.65億元，既保證了行蓄洪順利實(shí)施，又使群眾的利益得到了保護(hù)。

根據(jù)我國《核電站乏燃料處理處置基金征收使用管理暫行辦法》規(guī)定：乏燃料處理處置基金按照核電廠已投入商業(yè)運(yùn)行5年以上壓水堆核電機(jī)組的實(shí)際上網(wǎng)銷售電量征收，征收標(biāo)準(zhǔn)為0.026元/kWh。今后，國家會(huì)適時(shí)調(diào)整征收標(biāo)準(zhǔn)。乏燃料處理處置基金計(jì)入核電廠發(fā)電成本。

乏燃料處理處置基金由政府相關(guān)部門和機(jī)構(gòu)專項(xiàng)用于乏燃料處理處置。具體使用范圍包括：乏燃料運(yùn)輸、乏燃料離堆貯存、乏燃料后處理(含乏燃料后處理中試廠進(jìn)行的商用核電站乏燃料后處理)、乏燃料后處理所產(chǎn)生的高放廢物的處理處置、乏燃料后處理廠的建設(shè)、運(yùn)行、改造和退役、乏燃料處理處置的其他支出。

我國征收乏燃料基金的比例高于法國和美國，這是因?yàn)槲覈穗娬緮?shù)量少，目前的機(jī)組數(shù)量還不能降低乏燃料處理的費(fèi)用。表1是我國核電站乏燃料處理處置基金征收標(biāo)準(zhǔn)和國外核電國家政府征收乏燃料處理處置基金的對比。

表1　國內(nèi)外乏燃料基金對比表

2核電發(fā)達(dá)國家核燃料后處理情況介紹

2.1乏燃料中間貯存

世界主要核電大國核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史經(jīng)驗(yàn)表明：乏燃料中間貯存是安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的乏燃料管理方式，可有效應(yīng)對后端產(chǎn)業(yè)能力建設(shè)滯后的不利局面，緩解乏燃料儲運(yùn)壓力，為整個(gè)后端產(chǎn)業(yè)的完善提供充足的時(shí)間與安全保障。

為確保提供充分的屏蔽和密封，干式貯存系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為[1]：確保貯存期間燃料包殼保持完整；必須避免可能改變?nèi)剂喜牧闲阅艿母邷兀环乐规準(zhǔn)椒磻?yīng)(臨界)；提供有效的輻射屏蔽；避免放射性釋放到環(huán)境；確保在任何情況下乏燃料可回收。

2.2核電發(fā)達(dá)國家乏燃料后處理工藝介紹

法國從上世紀(jì)中葉開始就陸續(xù)建設(shè)了3座乏燃料后處理廠，最早的是UP2-400廠，該廠于1966試車，目前已經(jīng)停用，正在拆除。法國又于1990年和1994分別進(jìn)行了UP3和UP2-800后處理廠的試車。目前，法國運(yùn)行的這兩座后處理廠長年授權(quán)乏燃料處理能力達(dá)到了1 700t或80座反應(yīng)堆年乏燃料總量。

輻照后的燃料組件依然保留著475～480KG的U，占了新燃料U裝料的95%～96%，燃料組件受到輻照后會(huì)產(chǎn)生5KG的Pu元素，占了整個(gè)燃料組件重量的1%，這些U和Pu元素都可以被用于再循環(huán)[2]。而乏燃料組件中不可利用的最終殘留物(裂變產(chǎn)物)只占了乏燃料組件重量的3%～4%。乏燃料后處理流程示意圖如圖1所示。乏燃料處理產(chǎn)生的廢物處置圖如圖2所示。

圖1　乏燃料后處理流程示意圖

圖2　乏燃料處理產(chǎn)生的廢物處置圖

后處理廠將燃料溶解廢物和乏燃料放射性廢物通過下列方式進(jìn)行處理：

(1)燃料組件在溶解后，留下的外部材料如(包殼材料，格架材料，管座材料等)被壓縮封裝在水泥中，放置于地下貯存。

(2)燃料組件在溶解分離出可用的鈾、钚元素后，將剩下的放射性廢物進(jìn)行處理。處理的方式有(圖2所示)：1)對于超鈾和鑭系元素，目前都將其水泥固化貯存于地下。在未來的設(shè)想中，超鈾元素使用加速器進(jìn)行嬗變后，將其放置于地址貯存庫中。而鑭系元素依然進(jìn)行水泥固化，將其放置于近地表貯存；2)對于高放射性的Sr、Cs元素，使用玻璃固化或者其他固化方法將其放置于近地表貯存；3)中低放射性核素使用水泥固化的方式將其放置于近地表貯存。

圖3　MOX燃料生產(chǎn)工藝簡圖

后處理廠將從乏燃料分離出來的鈾元素通過后處理鈾氧化廠生產(chǎn)UO2，然后將UO2送至轉(zhuǎn)化廠生成UF6，這些UF6被送至濃度廠按照預(yù)定生產(chǎn)的燃料組件設(shè)計(jì)要求進(jìn)行濃縮，濃縮后的UF6被送至燃料制造廠重新生產(chǎn)新的燃料組件。而后處理廠直接生產(chǎn)PuO2并將其送至燃料制造廠。燃料制造廠將PuO2、UO2與陶瓷熟料混合，通過初級計(jì)量、研磨、篩濾工藝后將燃料生產(chǎn)混料的Pu元素的含量控制在小于30%范圍內(nèi)。再通過次級計(jì)量、均勻(加入膨脹劑)、添加潤滑劑、制造芯塊、燒結(jié)、打磨、裝棒和組件安裝的工藝流程生產(chǎn)出Pu元素含量小于12.5%的MOX燃料組件。生產(chǎn)過程中，在添加潤滑劑、制造芯塊、燒結(jié)、打磨、均勻和裝棒工藝流程中可能會(huì)產(chǎn)生廢料，這些廢料會(huì)被用在初始的混料混合中繼續(xù)使用，如圖3所示。當(dāng)今世界，MOX已經(jīng)在30多個(gè)熱堆中有30多年的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。比利時(shí)、法國、德國、日本，瑞典等國已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用MOX燃料，堆芯MOX燃料比例達(dá)30%。因而，我國出于對資源的有效利用的目的，對MOX燃料技術(shù)的引進(jìn)和開發(fā)也是十分必要的。在未來的科技研發(fā)中，會(huì)建立乏燃料后處理技術(shù)與快堆的相互配合。在快堆中燃燒的乏燃料組件會(huì)產(chǎn)生大量的Pu-239(易裂變核素，由U238吸收中子后生產(chǎn))，這些Pu元素會(huì)在后處理廠被回收利用制造成新的快堆燃料后被燃燒利用。從而形成的核燃料閉合式循環(huán)，使核廢料產(chǎn)生量得到最大程度的降低，實(shí)現(xiàn)放射性廢物最小化[3]。

3國內(nèi)核電站乏燃料運(yùn)輸介紹

3.1運(yùn)輸許可

國內(nèi)核電站在進(jìn)行乏燃料運(yùn)輸工作之前需要相關(guān)單位取得相關(guān)證件，見表2。

表2　我國乏燃料運(yùn)輸所需證件許可表

3.2國內(nèi)核電站乏燃料發(fā)運(yùn)方式的考慮

我國核電站乏燃料組件可以考慮通過如圖4所示的幾種方式發(fā)運(yùn)至后處理廠。

圖4　乏燃料發(fā)運(yùn)方式考慮圖

4結(jié)語

在核燃料循環(huán)體系方面，需要將MOX燃料生產(chǎn)，快堆建設(shè)與后處理廠建設(shè)匹配考慮，建立高效的核燃料循環(huán)利用體系。國內(nèi)核電站乏燃料運(yùn)輸中需考慮建立成熟的公路—鐵路—水運(yùn)聯(lián)動(dòng)的運(yùn)輸方式，形成安全、便捷、高效的運(yùn)輸聯(lián)動(dòng)方式，同時(shí)，也需要建立干式中間貯存廠，從而為核電站的建設(shè)和乏燃料后處理廠的建設(shè)提供安全有效的銜接手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘響,周榮生. 我國實(shí)施干式貯存的必要性及可行性分析[C]. 中法核燃料循環(huán)后端技術(shù)研討會(huì)論文集,2013.

[2]林燦生. 淺談核燃料后處理[J]. 中國核工業(yè),2006(10)：53-56.

[3]周賢玉. 核燃料后處理工程[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2019.

(本文編輯：趙艷粉)

Back-End Processing of Domestic and Foreign Spent Fuel Assemblies

TIAN Wei，YUAN Shun-li

(ShandongNuclearPowerCorporation，Yantai265116,China)

Abstract:The back-end processing of spent fuel assemblies underpins sound development of nuclear energy, hence China and other countries, advanced in nuclear technology, attach great importance to the back-end processing technology. This paper introduces the status quo and trends of back-end processing of spent fuel assemblies in China and abroad.

Key words:lifting and transportation; loop processing; spent fuel

DOI：10.11973/dlyny201601019

作者簡介：田偉(1988),男,助理工程師,主要研究方向?yàn)楹穗娬救剂瞎芾砑拔锢碓囼?yàn)方向。

中圖分類號：TL24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：2095-1256(2016)01-0086-03

收稿日期：2015-12-01