核電閉式燃料循環(huán)啟示錄

文 | 毛繼軍

作者系核能行業(yè)觀察者

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(jià)值的鈾钚等可裂變核素進(jìn)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?yàn)榈刭|(zhì)處置庫幾十年來難以推進(jìn)，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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(jìn)一步分離和嬗變方可實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過六十多年的發(fā)展，美國、法國、日本等核強(qiáng)國的快堆發(fā)展計(jì)劃先后受挫，快堆商業(yè)化進(jìn)程不斷延后，分離嬗變技術(shù)進(jìn)展緩慢，實(shí)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(jì)難題。

從國際經(jīng)驗(yàn)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(jì)六十年代就實(shí)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(jìn)行一次，之后因钚的同位素變化，不再對乏MOX燃料進(jìn)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(shí)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(shí)。

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(jìn)，以處理核電站較高燃耗的乏燃料，主要包括建造于上世紀(jì)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(jì)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(yùn)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(yùn)行了設(shè)計(jì)壽期的一半，發(fā)生過一些運(yùn)行事件，處理乏燃料量也遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)產(chǎn)能，日本的六個所后處理廠則經(jīng)歷了長達(dá)二十多年的建造拖期，至今仍未投入運(yùn)行。

我國乏燃料后處理技術(shù)在早期軍工時(shí)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(shí)間的停滯，目前技術(shù)已明顯落后于國際水平。在引進(jìn)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(yàn)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(jì)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(jìn)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(yùn)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(jìn)行調(diào)試即被關(guān)閉。

1977年，受到印度核試驗(yàn)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(kuò)散這一政治因素之外，經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jìn)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(jìn)核燃料循環(huán)研究專項(xiàng)，提出開發(fā)防核擴(kuò)散的核燃料循環(huán)技術(shù)。2009年，奧巴馬政府停止GNEP計(jì)劃。2012年，美國能源部新設(shè)立的藍(lán)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(jì)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(xiàng)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(shí)，為未來采取最優(yōu)核燃料循環(huán)路線保留選項(xiàng)。

美國麻省理工學(xué)院（M I T）2011年的《核燃料循環(huán)的未來》研究報(bào)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(jì)選項(xiàng)，而且很可能是本世紀(jì)大部分時(shí)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(shí)施乏燃料長期安全管理，保留未來乏燃料利用的各種選項(xiàng)。隨著時(shí)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(jì)性）終歸會明朗化，屆時(shí)輕水堆乏燃料采取直接地質(zhì)處置還是進(jìn)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(jìn)行較長時(shí)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(jì)初開始的多個先進(jìn)燃料循環(huán)研發(fā)計(jì)劃，不管是ACFI還是GNEP，均體現(xiàn)出乏燃料后處理和先進(jìn)快堆的系統(tǒng)銜接和統(tǒng)籌規(guī)劃，從先進(jìn)后處理、高放廢液分離、超鈾元素再利用、先進(jìn)快堆等多個環(huán)節(jié)均有機(jī)銜接，同步推進(jìn)。同時(shí)，長期保持較高的研發(fā)投入，有多個先進(jìn)燃料循環(huán)的研發(fā)項(xiàng)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(jìn)燃料循環(huán)技術(shù)的研發(fā)進(jìn)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(yùn)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(kuò)建成UP2-800，主要負(fù)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(yùn)往國外后處理，未處理的乏燃料全部進(jìn)行直接處置，日本由于當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)六個所后處理廠能夠按時(shí)投運(yùn)，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(jì)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(jì)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(jìn)行二次后處理，暫存等待未來先進(jìn)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(jì)性差，由于MOX燃料組件的制造成本遠(yuǎn)高于普通的UO2燃料，抵消了其節(jié)省的天然鈾和鈾濃縮價(jià)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(shí)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(yàn)，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(jì)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(yán)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(jià)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(shí)，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。

法國UP2和UP3兩個后處理廠30年來的開工率情況

日本大型后處理廠建設(shè)遭遇嚴(yán)重拖期

日本從核能利用之初就堅(jiān)定不移地走閉式燃料循環(huán)路線，并且提出了“钚經(jīng)濟(jì)”（Plutonium Economy）設(shè)想，通過實(shí)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(jìn)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(yùn)營，其設(shè)計(jì)處理能力為200噸/年，實(shí)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(shí)，日本以商業(yè)合同的形式委托法國和英國處理了總計(jì)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(jìn)法國技術(shù)，部分引進(jìn)英國技術(shù)，參照法國UP3后處理廠建設(shè)，設(shè)計(jì)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(yùn)計(jì)劃不斷延后，于2006年3月進(jìn)行了熱試，目前預(yù)計(jì)在2021年投運(yùn)，前后歷時(shí)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(jì)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(xiǎn)。

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(yùn)核電機(jī)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(jī)1.3億千瓦測算，屆時(shí)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(jì)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(jìn)一步明確了堅(jiān)持乏燃料后處理的大政方針，已進(jìn)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(jiān)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(jìn)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(jìn)后處理能力建設(shè)的同時(shí)，也必須充分認(rèn)識到大型后處理廠建設(shè)面臨的難度和技術(shù)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，尤其須關(guān)注引進(jìn)后處理大廠的建設(shè)成本和工程風(fēng)險(xiǎn)，以核電的健康可持續(xù)發(fā)展為前提，以實(shí)現(xiàn)乏燃料的安全管理為目標(biāo)，合理科學(xué)規(guī)劃大型商業(yè)后處理廠的建設(shè)時(shí)機(jī)和實(shí)現(xiàn)路徑。在總結(jié)國際核燃料循環(huán)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)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(jiān)持核燃料閉式循環(huán)政策的同時(shí)，認(rèn)真研究和確定我國商用后處理大廠的建設(shè)時(shí)機(jī)和條件，促進(jìn)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(jiān)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(shí)，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(shí)機(jī)應(yīng)當(dāng)以快堆產(chǎn)業(yè)化推廣時(shí)間為衡量基準(zhǔn)，不能以乏燃料累積量為衡量基準(zhǔn)。乏燃料累積問題完全可以通過中間貯存實(shí)現(xiàn)安全管理。

第二，對乏燃料管理政策和策略進(jìn)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(shí)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(jī)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(xiàng)，應(yīng)盡早進(jìn)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(xiàng)，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(jìn)后處理和快堆領(lǐng)域的相關(guān)核心技術(shù)。同時(shí)，應(yīng)系統(tǒng)研究制訂我國核燃料循環(huán)長遠(yuǎn)技術(shù)路線和發(fā)展規(guī)劃，同步推進(jìn)先進(jìn)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)。