我國乏燃料離堆貯存需求分析及技術(shù)路線選擇

□史惠杰 宋曉鵬 陳 勇 劉繼連 馬 敬

我國已明確采用核燃料閉式循環(huán)政策，即對乏燃料進行后處理，以回收其中的鈾、钚等材料再度加以利用。但我國目前的核燃料閉式循環(huán)產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)，在處理能力和技術(shù)上與主要核強國相比，仍有比較大的差距。因此，在核燃料后端配套成熟以前，大量的乏燃料還需進行暫存。雖然核電站在設(shè)計時已考慮一定容量的乏燃料貯存設(shè)施，但其貯存能力有限，遠不能滿足后續(xù)乏燃料的貯存需求，大量的乏燃料需考慮進行離堆貯存。

一、乏燃料貯存現(xiàn)狀

(一)在堆貯存。當(dāng)前核電站和研究堆產(chǎn)生的乏燃料的主要貯存方式是在堆貯存。截至2020年底，在運壓水堆核電站已累積產(chǎn)生乏燃料約6,200tHM，其中約5,700tHM貯存于在堆水池中，其余已運往離堆貯存設(shè)施。

(二)離堆貯存現(xiàn)狀。

1.離堆濕法貯存。我國目前已建成的離堆濕法貯存設(shè)施貯存能力約1,300tHM，預(yù)計到2025年我國可形成離堆濕法貯存能力約4,300tHM。

2.離堆干法貯存。秦山三期核電站離堆干法貯存設(shè)施采用MACSTOR-400模塊，每個模塊可貯存24,000個乏燃料棒束，截至2020年底，秦山三期離堆干法貯存設(shè)施已完成6個貯存模塊的建設(shè)，并完成5個模塊的裝料。

田灣及大亞灣核電站引進法國的NUHOMS干法貯存技術(shù)。田灣核電站規(guī)劃建設(shè)60個干法貯存模塊，采用“一次規(guī)劃、分批建設(shè)”的原則，一期工程規(guī)劃建設(shè)37個貯存模塊，先期建成10個貯存模塊以滿足2臺機組3年的乏燃料貯存需求，可實現(xiàn)310組(約150tHM)乏燃料組件的干法貯存。2019年9月，10個貯存單元建成，截至2020年底，田灣核電站干法貯存設(shè)施已完成7個貯存模塊的裝料，共貯存217組(約100tHM)乏燃料。

大亞灣核電站干法貯存設(shè)施包含27個模塊，每個模塊可貯存32個乏燃料組件，可實現(xiàn)864組(約400tHM)乏燃料組件的干法貯存。截至2020年底，大亞灣核電站干法貯存設(shè)施尚未投入使用。

二、核電站乏燃料離堆貯存需求分析

(一)核電站乏燃料規(guī)模預(yù)測。截至2021年5月，我國大陸在運核電機組50臺，在運裝機容量約5,215萬千瓦。目前我國投運核電站的反應(yīng)堆型包括CNP-300、CNP-600、M310及改進型、AP-1000、EPR-1750、HPR-1000、VVER-1000等壓水堆機組及CANDU-6重水堆機組；在建的新反應(yīng)堆型包括VVER-1200、CAP1400、ACP100等壓水堆機組。產(chǎn)生的燃料組件類型包括AFA-2G、AFA-3G、VVER-AFA、TVS-2M、TVS-2006、CF3、STEP以及CANDU-6等。

洪哲等人[1]根據(jù)我國核電發(fā)展規(guī)劃，分析了核電快速和慢速發(fā)展兩種情景下我國輕水堆乏燃料累積量及離堆貯存需求。劉敏等人[2]按照每年新開工8臺機組的核電發(fā)展速度，分析了后處理高、低兩種發(fā)展情景下壓水堆乏燃料的累積量及離堆貯存需求。而對于乏燃料組件類型，它們的產(chǎn)生量、組件外形尺寸、參數(shù)等方面存在一定差異，采取的乏燃料管理方式也有所不同。下面對不同類型的乏燃料組件的離堆貯存需求進行分析。

表1 不同堆型換料方式及乏燃料卸料量[3]

2035年乃至2050年前，我國核電站建設(shè)仍將以壓水堆為主，“華龍一號”和CAP1400具有自主技術(shù)應(yīng)用，是未來我國核電站堆型的主要選擇。

未來我國核電站乏燃料規(guī)模，按照以下原則進行估算：

假設(shè)2026～2030年間每年新增6臺1,200MW機組(2026年～2027年各投運2臺AES2006堆，其余按華龍一號堆型)，2031年～2050年間每年新增8臺1,200MW機組(按華龍一號堆型)。

新建壓水堆核電站投入運行后第二年開始卸料，各種堆型換料方式及卸出量表如表1所示。

秦山一期核電站延壽至2041年(壽期50年)，其余核電站按壽期60年計。

從外形尺寸和燃料特性來看，我國核電站產(chǎn)生的乏燃料包括以下幾類：一是標(biāo)準(zhǔn)型四邊形組件，包括AFA-2G、AFA-3G和CF3組件，CNP650、M310、CPR1000、華龍一號等堆型使用，我國絕大部分壓水堆核電站使用這種類型的燃料組件；二是加長型四邊形組件，包括AFA-3G LE和RFA-2組件，主要應(yīng)用在我國EPR1750、AP1000、CAP1400等第三代反應(yīng)堆中；三是短型四邊形組件，主要包括FA300型組件，我國秦山一期核電站使用的組件；四是六邊形組件，包括AFA組件、TVS-2M組件和TVS-2006組件，應(yīng)用于田灣核電站和徐大堡核電站從俄羅斯引進的AES-91機組和AES-2006機組；五是圓柱形棒束組件，應(yīng)用于秦山三期核電站從加拿大引進的CANDU-6堆型。

根據(jù)估算原則，得出2020～2050年我國乏燃料累積產(chǎn)生量如圖1所示。

圖1 我國核電站乏燃料累積產(chǎn)生量預(yù)測

由圖1可以看出，預(yù)計到2030年，我國壓水堆核電站預(yù)計累積產(chǎn)生乏燃料約16,000tHM(其中壓水堆乏燃料約12,000tHM)；到2040年，我國壓水堆核電站預(yù)計累積產(chǎn)生乏燃料約54,000tHM(其中壓水堆乏燃料約46,000tHM)；到2050年，我國壓水堆核電站預(yù)計累積產(chǎn)生乏燃料約100,000tHM(其中壓水堆乏燃料約90,000tHM)。

(二)離堆貯存需求預(yù)測分析。為保證核電站運行安全，乏燃料在堆貯存水池的容量必須至少保證有一個堆芯和三分之一換料的安全裕量。假設(shè)壓水堆核電站乏燃料在堆冷卻滿8年后進行外運(重水堆目前不考慮外運)，對乏燃料外運需求量進行預(yù)測，數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 我國壓水堆核電站乏燃料外運需求量預(yù)測

由圖2可以看出，我國壓水堆核電站產(chǎn)生的乏燃料外運需求量逐年遞增，到2030年，我國壓水堆核電站乏燃料外運需求量將達到約8,500tHM；到2040年，外運需求量將達到約23,500tHM；到2050年，外運需求量將達到約53,600tHM，約是2040年外運需求量的2.3倍，是2030年外運需求量的6.3倍。

我國在建或后續(xù)擬建的后處理設(shè)施若均如期投運并在投運后第二年達到滿負荷運行，處理對象為國內(nèi)M310、華龍一號、EPR1750、AP1000等機組的方形組件，則根據(jù)各設(shè)施的處理能力，預(yù)測壓水堆乏燃料離堆貯存需求量，如圖3所示。

圖3 我國壓水堆核電站乏燃料離堆貯存需求量預(yù)測

由圖3的數(shù)據(jù)中可以看出，到2030年，約有5,900tHM壓水堆乏燃料需進行離堆貯存；到2035年，約有9,000tHM壓水堆乏燃料需進行離堆貯存；到2050年，壓水堆乏燃料離堆貯存需求將達到約20,000tHM，是目前離堆貯存需求量的11.8倍。

三、乏燃料貯存技術(shù)路線及選擇

(一)乏燃料貯存技術(shù)選擇主要考慮因素。乏燃料貯存技術(shù)的選擇是乏燃料貯存項目中的關(guān)鍵一步，技術(shù)選擇需符合國家乏燃料管理有關(guān)的政策目標(biāo)，錯誤的決定往往需付出經(jīng)濟、安全、環(huán)境等方面的代價。乏燃料貯存技術(shù)選擇取決于多種因素。

1.擬貯存乏燃料。乏燃料離堆貯存需求及組件類型是離堆貯存首要考慮的因素，相關(guān)內(nèi)容在第二章已論述。

乏燃料特性主要與核燃料在反應(yīng)堆運行期間發(fā)生的變化有關(guān)。這些變化包括可裂變核素(如235U)的消耗和數(shù)百種裂片元素的生成。這些變化發(fā)生的程度取決于燃料的燃耗，即單位質(zhì)量的燃料所產(chǎn)生的能量(通常以MWd/kgU表示)。乏燃料中放射性核素產(chǎn)生的熱量是貯存系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的一個重要因素。核電廠一直在增加使用高燃耗燃料，以提高燃料效率，這一趨勢可能會增加，并發(fā)展到不同類型的燃料。提高燃料的燃耗對貯存方案的選擇和貯存系統(tǒng)的設(shè)計有很大的影響，因為衰變熱隨燃耗深度提高而增加，給貯存系統(tǒng)帶來了更高的冷卻負荷。

2.貯存技術(shù)。

(1)濕法貯存。濕法貯存技術(shù)是卸出后乏燃料立即貯存的最常見選擇，因為它們提供了冷卻初期所必需的良好熱傳導(dǎo)。長期以來，利用水池濕法貯存乏燃料是最主要的貯存方法，不僅用于反應(yīng)堆場址的臨時貯存，還用于后處理廠的離堆貯存。

水池位于抗震合格的混凝土建筑物內(nèi)。燃料組件被放置在位于池底的貯存格架或吊籃中，可抵御地震事件的位移。水池配備有冷卻系統(tǒng)(即泵和熱交換器)，通常在40℃或更低溫度下運行。為保持良好的水質(zhì)，設(shè)有凈化系統(tǒng)。水池需要最佳的池水化學(xué)成分，并仔細維護和監(jiān)測水池結(jié)構(gòu)是否有滲漏。當(dāng)前的水池通常采用焊接不銹鋼板作內(nèi)襯，并設(shè)有檢漏和收集系統(tǒng)。據(jù)報道，一些先進的乏燃料貯存水池通過使用水下模塊化設(shè)備冷卻和凈化池水，在水池上方增加混凝土保護層等措施，可更好地提高運營成本的經(jīng)濟性。

(2)干法貯存。乏燃料組件在水池中經(jīng)過幾年的初始冷卻后就可以進行自然冷卻的干法貯存。干法貯存方法依靠金屬或混凝土來屏蔽乏燃料組件的輻射，而乏燃料組件繼續(xù)釋放相當(dāng)大的衰變熱，必須散發(fā)到大氣中。干法貯存主要包括四種類型：金屬容器貯存、混凝土容器貯存、貯存室貯存和干井貯存。

(3)新式貯存技術(shù)。地下垂直通風(fēng)庫：此技術(shù)是一種地下垂直通風(fēng)的模塊化干法貯存系統(tǒng)，每個模塊貯存一個外包單元，并且相互獨立。

雙隧道貯存技術(shù)：此技術(shù)是一種將干井概念與在地質(zhì)處置設(shè)施中鉆孔相結(jié)合的地下貯存方法，目的是在處置或回收再利用之前進行長期貯存。

緊湊型貯存技術(shù)：此技術(shù)指在貯存燃料組件時考慮通過對燃料組件進行物理重新排列使其更緊密，以提高貯存密度，通常在濕貯存中考慮。

3.安全性。確保乏燃料貯存的安全是制定離堆貯存設(shè)施許可標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

由于乏燃料在貯存過程中仍有大量衰變熱，濕法貯存最大的安全顧慮是乏燃料因水量大幅下降而裸露在空氣中，導(dǎo)致包殼劇烈氧化，放射性核素大量釋放。因此通常濕法貯存中，池水補水系統(tǒng)和池水冷卻系統(tǒng)通常設(shè)置為安全級系統(tǒng)，事故工況下可保證水層的屏蔽厚度及池水冷卻的正常運行，保證乏燃料衰變熱的持續(xù)導(dǎo)出，防止池水沸騰。

干法貯存設(shè)施的輻射屏蔽及機械熱工防護由貯存結(jié)構(gòu)(模塊或容器)提供，熱量主要通過自然空氣對流非能動導(dǎo)出。因此干法貯存設(shè)施運行簡單，幾乎不存在操作任務(wù)，檢查和檢驗也很有限。安全性方面，干法設(shè)施認為基本上可以抵御大型飛機墜毀等破壞。當(dāng)發(fā)生重大情況下，干法貯存設(shè)施所采用的應(yīng)急措施不如濕法貯存設(shè)施的廣泛。

4.其他考慮因素。除上述乏燃料貯存的影響因素外，還需考慮以下影響因素：一是貯存設(shè)施的場地條件，包括選址、運輸、占地等；二是貯存設(shè)施的靈活性和適應(yīng)性，包括可建造性、模塊化和易于擴容等；三是貯存設(shè)施的運行和維護是否簡單，輔助系統(tǒng)設(shè)置是否全面，監(jiān)督和保障是否可靠等；四是貯存設(shè)施的經(jīng)濟性，包括壽期成本、運行維護成本、退役費用等。

(二)乏燃料貯存技術(shù)路線選擇。根據(jù)乏燃料組件類型及未來乏燃料產(chǎn)生量等因素，表2列出了幾種乏燃料組件的離堆貯存路線的選擇建議。

表2 我國乏燃料離堆貯存技術(shù)路線選擇及建議

四、結(jié)語

我國目前正處于核電快速發(fā)展時期，核電發(fā)展規(guī)模逐年增加，核電產(chǎn)生的乏燃料的量也隨之增加。文章分析了我國乏燃料離堆貯存的需求量和離堆貯存技術(shù)路線的影響因素，對我國未來不同類型乏燃料組件的離堆貯存方式進行了建議，對政策決策者和行業(yè)內(nèi)人士具有一定的參考價值。