國外核電廠乏燃料貯存方式對比研究

徐 健，王 偉，黃慶勇，王祎峰

(1.國家國防科技工業局核技術支持中心，北京 100160；2.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000)

核電廠運行必然產生大量乏燃料，安全管理乏燃料對于核電安全穩定運行、核工業健康可持續發展有著舉足輕重的作用。作為核燃料循環后段的一個環節，乏燃料中間貯存是乏燃料管理的重要環節。隨著世界各核電大國核燃料循環政策的調整，乏燃料中間貯存在核燃料循環中的地位日趨重要。一方面，中間貯存減少了后處理過程因放射性而帶來的一系列操作問題，使后處理在經濟上更為合理。另一方面，中間貯存為后處理和處置技術開發、政策制定、技術路線選擇、后處理廠選址和建設等預留了充裕的時間。

乏燃料貯存方式按照貯存介質包括干法和濕法兩種，按照與核電廠址關系又分為在堆和離堆兩種。其中干法貯存由于技術發展而衍生出不同的類型，世界各國已建成的干式貯存設施主要有空氣冷卻貯存室、干式混凝土容器、干井及金屬容器等。由此可見，乏燃料中間貯存方式正趨于多樣化。

目前，我國核電建設進入快速發展時期，但由于對核電廠乏燃料后續管理技術研究起步較晚，處理處置能力建設滯后于核電發展。因此，乏燃料中間貯存的技術研發和能力建設受到各方高度關注。

1 乏燃料貯存技術簡介

所有核動力堆都配備建造有與反應堆運行相關的某種形式的乏燃料貯存水池(在堆貯存水池)。近年來，全球很多在運核電廠在堆(At Reactor)貯存水池均滿負荷運轉，影響了核電廠連續穩定運行。因此，有必要開發離堆(Away From Reactor)貯存。

已開發的離堆貯存技術有兩種。最初貯存方法仍然是濕法貯存，隨著技術和理念的發展，不同類型的干法貯存技術也得到了發展。離堆貯存包括反應堆廠址(Reactor-site，RS)建造附加中間貯存設施和廠址外(off-site)獨立地址貯存設施兩種。

無論濕法貯存還是干法貯存都必須滿足：1)在裝卸和暴露于腐蝕環境期間，應保持乏燃料包殼的完整性；2)在貯存期間，為防止乏燃料老化，應提供足夠的冷卻，使池水溫度不超過管理目標值；3)在正常和事故狀態下，保持乏燃料處于次臨界狀態；4)設置乏燃料的輻射屏蔽，確保操作人員、公眾和環境的輻射劑量不超過管理目標值；5)通過最小化同位素的釋放，確保環境安全；6)確保乏燃料可回取性。

如前所述，濕法貯存包括核電廠廠址上在堆水池(AR)和廠址上/遠離廠址離堆(AFR)貯存兩種。大多數AR貯存水池與反應堆同時建成一體運行。按照目前技術，濕法貯存特別是作為后處理廠附屬設施的離堆濕法貯存，是乏燃料從反應堆卸除冷卻和進行后處理前的必要貯存方式。目前，濕法貯存已經是非常成熟且通用的技術。

近年來，干法貯存技術研發進展顯著。由于經濟原因，研發出各種滿足不同反應堆乏燃料特定貯存要求的干法貯存技術，如允許的包殼最高溫度、氣體環境(空氣、CO2、氦氣)等。出現了筒倉類、貯存室類和容器類等不同技術路線，金屬容器式和混凝土容器式，以及貯存運輸單一或復合式多用途貯存系統，如具有雙重功能屏蔽容器的德國CASTOR屏蔽容器，比利時的TN 24容器和美國的NAC-STC容器等，可用于貯存和轉運，以及從貯存設施開始運輸，甚至某些貯存設施的乏燃料容器可用于運輸和(或)最終處置，它們常被稱為多用途系統。

綜上所述，整個核電廠乏燃料貯存分為在堆濕法貯存、離堆濕法貯存及干法貯存等不同技術路線，相互間關系如圖1所示。

圖1 乏燃料貯存不同技術路線關系圖Fig.1 Relations of different technical routes for the spent fuel storage

2 國外乏燃料貯存管理現狀

受全球后處理及處置能力不足的制約，各核電大國核電廠卸出的乏燃料量大多都已經接近或超過核電廠在堆水池貯存容量，面臨著乏燃料的去向問題。各核電國家經過多年經驗積累，在明確核燃料循環政策基礎上，逐步摸索出了適合于本國國情的乏燃料貯存管理技術路線。

2.1 美國乏燃料管理

美國一直是全球核電機組裝機容量最大的國家，截至2019年年底，核電總凈裝機容量達99 061 MW，占總發電量19.3%。所有核電廠累計產生約8.4萬t乏燃料，并以每年2 000 t數量增加。此外，還包括進行深地質處置海軍核動力艦船卸出的近30 t乏燃料。其中，濕法貯存4.5萬t，其余采取干式貯存。

1977年，美國暫停了國內乏燃料后處理，自此所有核電廠運行產生的乏燃料只能進行長期中間貯存，核電廠必須按法規要求自行解決乏燃料離堆貯存問題。

為解決乏燃料離堆貯存能力短缺的困境，1997年，經政府批準，相關企業組成的私人乏燃料貯存有限責任企業(PFS)向NRC提交了獨立乏燃料貯存處理設施(ISFSI)(見圖2)許可申請。2006年，該許可才得以頒發。同時，在新的國家政策尚未明確情況下，必須繼續對全國73個反應堆廠內干法貯存設施進行擴建，以提高貯存能力。迄今已建成71個在運獨立乏燃料干式貯存設施。

圖2 美國福特圣瓦倫ISFSI干法貯存設施和內部圖Fig.2 The dry storage facility and the interior of the Ford St. Warren ISFSI in the USA

此外，經能源部批準，美國核能協會(NEI)等相關組織聯合私營企業研究提出了集中式乏燃料管理策略和一系列干式乏燃料貯存技術，為確保乏燃料安全管理提供了技術保障。該策略思路是：繼續進行乏燃料接收和管理，并行開發最終處置庫，同時就乏燃料選擇后處理還是地質處置及具體方式開展深入研究和論證。其中，美國Energy Solution公司提出了一體化乏燃料管理系統(如圖3所示)。即：在反應堆廠房或燃料廠房內使用特殊的自動封裝模塊將單個乏燃料組件用單獨的密封罐封裝，密封罐經密封、干燥、充入惰性氣體后放回貯存水池冷卻一定時間后取出放入乏燃料運輸容器內，運至干法貯存設施模塊化貯存室(MSV)內貯存。

圖3 乏燃料一體化管理策略路線圖Fig.3 The roadmap of spent fuel integrated management strategy

該策略雖然不能從根本上解決乏燃料處理處置問題，但通過充分利用干式貯存技術的布置靈活性和很強的適用性特點，為乏燃料長期安全管理提供了戰略緩沖機會。

2014年9月，美國核管會(NRC)在現有法規基礎上，修訂頒布了《乏燃料干法長期貯存》實施細則，重點考慮了三種不同貯存期限乏燃料貯存方案，最終達到即使假定沒有可用的處置庫，乏燃料也能長期安全中間暫存。

目前，美國新產生的乏燃料均采用干式離堆貯存方式，有超過70%核電廠建造了乏燃料干式貯存設施，另有約2萬t水池貯存的乏燃料將轉入干式貯存設施。

據美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)網站2021年8月18日報道，近日，該實驗室接收了能源部(DOE)提供的未經使用的乏燃料貯存罐，以加速正在開展的乏燃料長期貯存項目研究。這種貯存罐原本并不是為乏燃料永久貯存而設計。ORNL研究團隊表示，通過建模模擬，對包括蠟熔化物、金屬熔融物、低熔點玻璃等可加熱材料的效果進行研究。實現大幅延長乏燃料貯存罐貯存時間，達到長達一百萬年永久貯存目標。

中核智庫8月2日報道：美國核管會(NRC)于2021年7月批準了中間貯存公司(Interim Storage Partners)提交的在得克薩斯州安德魯斯(Andrews)建設和運營一座總容量將達4萬噸的乏燃料中間干法貯存設施的申請。

2.2 俄羅斯乏燃料管理

俄羅斯堅持“閉式循環”核燃料循環政策，并認為乏燃料是一種潛在的資源。截至2019年5月，俄羅斯有37臺核電機組在運行，占總發電量17%。另有9座反應堆正在建設之中(包括一座800 MW快中子增殖堆)。

2003年1月，俄羅斯頒布了《乏燃料干法貯存設施安全要求規范》(HP 035-02),這是第一個干法貯存政策文件，明確了乏燃料干法貯存設施設計、建設、運行和退役的要求。2008年12月俄羅斯國家原子能公司(Rosatom)頒布《乏燃料管理概念》(第721號法令)再次確認后處理“閉式循環”政策。

俄羅斯乏燃料主要來源于核電廠、研究堆和核動力破冰船隊等。大多數核電廠乏燃料貯存在在堆貯存水池中，2011年，熱列茲諾戈爾斯克的容量為8600噸RBMK(BWR)乏燃料干法貯存設施正式投運。目前，核電廠在堆貯存設施及集中貯存累積21 714噸乏燃料。在Lepse、Lotta和Imandra三個浮式維修基地還貯存了一定數量核動力破冰船乏燃料。截至2018年年初，累計產生乏燃料量達25 113 tHM，這還不包括軍用核動力新卸載下來的乏燃料。見圖4。

圖4 俄羅斯企業中的乏燃料Fig.4 Spent fuels of Russian enterprises

俄羅斯西北部地區由于核武器和核潛艇研制,大約留存有6萬多根核潛艇乏燃料元件。自20世紀80年代起，俄羅斯就在這些地區開展核潛艇的拆卸等活動，造成部分地區環境嚴重污染。針對環境污染和潛艇中拆卸乏燃料量而貯存能力嚴重短缺等問題，西方國家與俄方溝通，并對設計方案進行了對比，由于新建濕式貯存設施費用比干式貯存設施方案要高80%，且干法貯存具有放射性釋放較低，廢物生成少，工作人員和環境造成的放射性劑量比較小等技術優點。最終確定在俄羅斯馬亞克后處理廠建造新的干式貯存設施，并分兩期進行建設，兩期設計容量均為33 750個乏燃料組件貯存能力。

該設施由西方國家提供資金，英國核燃料有限(BNFL)公司、瑞典的SKB公司、法國SGN公司一起合資成立的工業集團(1G)公司，聯合俄羅斯圣彼得堡基礎工程公司(VNIPIET)共同設計。截至2017年年底，已貯存400多噸乏燃料，由于國際形勢變化，現在IG工業集團與俄羅斯正在討論如何繼續開展后續工作。

在該干式地下貯存設施運行過程中，面臨的主要問題是如何把乏燃料運到馬亞克。即使按照年運輸100～200個集裝箱運輸能力，現有的鐵路運輸線、運輸專列和乏燃料運輸容器足夠的情況下，也要持續幾十年才能完成。

2.3 法國乏燃料管理

法國是名副其實的核大國，由于國內鈾資源量有限，法國始終堅持閉式核燃料循環政策，強調乏燃料是一種資源，并通過《廢物法》從國家層次確認了對乏燃料采取后處理/循環利用的國策。根據規定，法國出臺了國家放射性材料和廢物管理計劃(PNGMDR)，明確要求必須根據不同乏燃料的特征來選擇和制定具體管理策略，這表明，并非所有類型的乏燃料都要進行后處理。

截至2018年年底，法國有58座在運核電廠，占全國總發電量的71%以上,平均每年產生約1150 t乏燃料。同時，法國作為全球最大民用乏燃料后處理國家，為包括德國、日本在內很多國家提供乏燃料后處理服務，并在乏燃料管理方面開發了相關技術體系，積累了豐富經驗。

法國僅在卡達拉齊(CADARACHE)建有一座貯存能力為180 t重金屬的干式貯存設施(CASCAD)，用于貯存重水研究堆乏燃料(如圖5所示)。該設施建于1990年，設計運行時間為50年，乏燃料貯存在319個貯存罐內，整個貯存室長35 m，寬25 m，高16 m，分檢查區，操作區，貯存區和通風區。

圖5 法國CASCAD干法貯存設施Fig.5 The CASCAD dry storage facility in France1—容器接收；2—把容器轉入閘門小室；3—檢查容器沾污和元件損壞情況；4—把容器送入處理室；5—遙控打開容器；6—轉移燃料組件；7—安防護塞；8—安裝密封塞；9～12—取出空容器

除此之外，其余乏燃料均為濕法貯存方式，包括同樣位于卡達拉奇(CADARACHE)核能研究中心的CARES濕法貯存水池，以及阿格后處理廠(La Hague)的UP2和UP3的貯存水池，法國超鳳凰(SUPERPHéNIX)快堆1997年停運后產生的所有乏燃料，目前貯存在法國電力公司的Creys-Malville場址貯存水池中。

法國乏燃料貯存設施包括核電廠在堆貯存設施、離堆貯存設施及后處理廠貯存設施等。

其中，法國電力公司(EDF)負責核電廠在堆乏燃料貯存管理，將在堆貯存水池冷卻后的乏燃料組件運往La Hague后處理廠進行后處理。原子能委員會(CEA)負責研究堆乏燃料管理，按規定將乏燃料貯存在卡達拉奇(Cadarache)現場離堆乏燃料干式貯存庫(CASCAD)及水池貯存設施(CARES貯存池)內，以待運到La Hague后處理廠進行后處理。阿海琺(現為歐安諾，Orano)負責乏燃料運至La Hague后的管理。

阿格后處理廠所有乏燃料均貯存在UP3-A、UP2-800和STE3乏燃料接收和貯存廠房內，總貯存能力達到1.76萬t。具體情況見表1。

表1 法國阿格廠乏燃料池貯存能力

3 兩種貯存方式經濟性對比

3.1 國際原子能機構對乏燃料貯存經濟性的相關考慮

國際原子能機構(IAEA)認為：乏燃料貯存設施的各種費用可以按費用類別和費用構成部分來分類。費用類別包括初始開發費、投資費、運行費、后續開發費、運輸費和退役費。每一類別內又有各種構成部分，初始開發費的構成部分包括許可證申請費和審管費等，如果審管部門繼之要求每年繳費，則許可證申請費和審管費也將影響到運行費；投資費構成部分包括土地征用、場地準備、設計和工程，建造和施工、工藝設備、儀表設備及調試；運行費構成部分包括勞力、器材、服務、能源、維修、廢物的形態調整和處置、稅率和保險及質量保證。

運行費用是在乏燃料貯存設施建成并投入運行后才發生的費用。燃料貯存前的開支主要是將燃料從核動力廠運到貯存設施的費用。燃料貯存期間的開支起因自前面提到的各項構成部分。在貯存設施使用期結束時，必須為燃料的最終處理(后處理或處置)支付新的運費。在燃料最終運走后，設施必須退役，在一些國家中，這筆退役費被計入運行費中核算。

貯存設施的貯存容量是運行費中一個非常重要的因素，而貯存方案則是影響運行費用的一個決定性因素。

國際原子能機構認為乏燃料貯存設施的運行費用與貯存容量有著密切的關系，無論何種貯存方式(干式還是濕式)，都應將設施使用期內歷年運行費用貼現相加，得出運行期內的總運行費用，然后除以貯存庫容量(即費用“均攤”)。利用這種方法，國際原子能機構針對乏燃料干式貯存的干井、筒倉和金屬容器三種類別進行了對比，結果表明干井式干法貯存方式的貯存費用最高，金屬容器式干法貯存方式的貯存費用最低。見圖6。

圖6 全部運行費用與容量的關系Fig.6 Relations between the total operating cost and capacity

由上可見，國際上通行的干法貯存和濕法水池貯存兩種乏燃料貯存技術路線，無論從管理實踐、運行維護和相關設備制造來看，都是非常成熟的。

3.2 運行階段兩種貯存方式經濟性比較

按照國際原子能機構的思路，核電廠乏燃料貯存設施在運行階段的費用包括勞力、器材、服務(監測檢測等)、能源(動力費)、維修、廢物的形態調整和處置、稅率和保險及質量保證等。在此，以650 t的鈾貯存能力的設施為核算前提，對干法和濕法兩種貯存技術路線離堆貯存的經濟性進行對比，具體如下：

(1)濕法離堆貯存設施

根據相關核電廠乏燃料濕法水池貯存運行設施調研，貯存能力為650 tHM的乏燃料貯存水池，前期一次性投入大約為6億～6.5億元人民幣(不包括運輸容器采購費用)。估測年度運行費約為5 400萬人民幣，其中包括人員工資和福利費、動力費及其他費用。具體如表2所示。

表2 濕法貯存年度運行費用表

此外，考慮到設施關閉或運行中間過程中，濕法貯存水池中水以及貯存格架作為放射性廢物，其產生量較大且種類較多，也需要作為成本進行計算。

(2)干法離堆貯存設施

國外相關運行經驗表明，對貯存能力為650 tHM金屬容器的乏燃料貯存設施，前期一次性投入大約為9.5億～10億元人民幣(其中包括容器采購)。后期的年度運行費用大約為2 500萬人民幣。運行費用包括人員工資和福利費、動力費及其他費用。具體如表3所示。

表3 干法貯存年度運行費用表

當然，干法貯存也可以選擇分批投入，一次性投入較少。此外干法貯存設施在關閉退役后，需要處理處置的放射性廢物主要是混凝土、不銹鋼等固體廢物，其中大量的可以清潔解控再利用，因此從放射性廢物處理處置角度來看也較為經濟。同時，通過干法貯存，可推遲乏燃料后處理或直接處置的時間，從而節省大量的資金成本。

4 兩種貯存方式對比

4.1 主要特點

濕法貯存一般用添加硼酸的去離子水作為中子吸收劑，增大中子吸收強度，預防臨界事故發生。其最大特點是：用水作為冷卻劑和輻射防護層，是乏燃料貯存與后處理銜接的必然環節，因此，乏燃料濕法貯存是離堆貯存方式中能夠與后處理設施同址建設。如圖7所示。

圖7 核電廠乏燃料在堆貯存水池Fig.7 The on-site spent fuel storage pool of a nuclear power plant

濕法貯存管理環節有：運輸到貯存點，公鐵換裝責任轉移；運輸容器到貯存廠房，吊裝容器到冷卻池，檢測并充水后吊裝至卸料池，吊裝乏燃料組件到貯存池。

干法貯存主要特點是：用氣體或空氣而不用水作為冷卻劑(通常用惰性氣體如氦氣，或者如氮氣防止乏燃料貯存過程中發生氧化)，用金屬或混凝土而不用水作為輻射防護層。通常，必須將乏燃料貯存在水池中冷卻若干年，才能進行干法貯存。如圖8所示。

圖8 干法貯存技術示意圖Fig.8 The schematic of dry storage technique

干法貯存管理環節有：場內運輸乏燃料到貯存設施(貯運一體除外)；從運輸容器中將組件吊裝入貯存容器；啟動監測系統進行監測，乏燃料組件進入離堆中間貯存狀態。

4.2 運行安全管理

由于干法和濕法兩種乏燃料貯存方式的冷卻介質不同，直接影響乏燃料的安全管理。

濕法貯存安全性主要表現為：1)確保貯存池水不泄漏，并保持乏燃料持續位于安全水位下；2)確保貯存池水中子吸附能力強，避免發生臨界反應；3)在事故情況下，確保冷卻水供應，防止乏燃料熔化。必須通過強化管理和嚴格執行運行具體規程，確保濕法貯存的安全運行。

干法貯存方式中，由于貯存期間不產生常規廢物、固體廢物、液體或氣態流出物。因此不需要流出物處理和監測系統。設施運行安全性重點在確保通風，須通過對貯存系統進風口和出風口的日常目視檢查，確認無雜物阻礙，確保通風順暢。貯存模塊沒有需要周期性檢修的能動部件，最大限度地減少維修活動造成的職業劑量。貯存模塊的密封設計，確保乏燃料在貯存期間無任何放射性物質外排。模塊化設計確保單個模塊和整體系統的屏蔽能力不會造成任何設施外照射。

綜上所述，干法和濕法兩種貯存方法主要特點對比總結如表4所示。

表4 兩種貯存方法特點比較

綜合分析，兩種貯存方式在技術方面都是比較成熟的，從經濟性比較，濕法由于基建投資、運行和維護費高，產生廢物量大且退役難度大，對短期和中期貯存而言，干法貯存整體因其模塊化而具有較強優勢。從技術上比較，干法貯存是一種非常靈活且適應性更好的貯存方式，它提供了最方便和有效的貯存方式，能夠適應不同的情況變化。從安全性比較，由于冷卻介質的不同，影響設施靈活性和安全性，無論是人員照射劑量還是環境影響程度，干法貯存都具有很強的優勢。從與后處理廠的銜接上，濕法貯存可以與后處理設施同址建設，便于安全操作乏燃料進入后處理。

5 結論及建議

我國堅持閉式循環的核燃料循環政策，作為資源，乏燃料的有效管理和利用是我國解決核能發展過程中資源瓶頸的重要手段。乏燃料安全貯存作為核燃料循環的一個環節,是核電乃至核能事業發展的重要一環。

從上述分析來看，在同等貯存容量的情況下，干法離堆貯存設施在運行階段要比濕法離堆貯存設施相對具有經濟性。同時，從最終關閉退役角度看，由于濕法貯存涉及到水池中水的監測和處理，二次廢物產生量較大，而干法貯存由于二次廢物產出量極少，更具有經濟性。

乏燃料濕法貯存是乏燃料卸出堆芯后進行一定時期冷卻的必要環節，是在現有后處理技術條件下對乏燃料進行后處理前的必須貯存方式，是必不可少的。干式貯存作為濕法貯存的有益且必要的補充方式，由于其獨具的靈活性、廢物少量化及經濟性等獨特優勢，目前已經成為全球核電大國開展乏燃料中間長期暫存的優先選擇。

對我國來說，由于目前后處理和處置能力有限，核燃料循環技術應用研究的局限性。從資源回收利用的角度看，乏燃料中間暫存是必不可少的甚至是長期的選擇。考慮到今后一段時期我國核電發展的規模和速度，提出如下建議：

1)盡快制定乏燃料管理法律法規，明確乏燃料貯存政策、技術標準及安全保險等制度，從頂層設計上為乏燃料貯存技術研發和工程建設提供指導，防止研發技術及其應用太分散導致資源浪費。

2)開展乏燃料干法貯存技術研發和標準建立，包括容器研制、設施建造、人才培養等，為順利實施離堆集中乏燃料干法貯存示范工程建設、全面吸收并自主掌握干法貯存相關技術提供工程經驗和技術標準保障。

3)著手開展濱海集中式貯存設施建設的前期研究工作，包括運輸和貯存方式、投資比例、運行管理模式等內容。解決核電廠乏燃料中長期貯存困境。

4)綜合考慮與后處理設施銜接和長距離運輸能力，進一步加強乏燃料濕法貯存能力建設。

綜上所述，安全貯存乏燃料涉及我國閉式循環的核燃料循環政策的落實，掌握相關技術對我國國內核電和核能事業的安全有序發展、乃至核電“走出去”戰略的實施具有非常重要的意義。