乏燃料后处理体系对比分析研究

文/王泽平 戚文华

1.国际上乏燃料的普遍处置方式

当前，国际上对乏燃料的处置方式主要有三种：一是闭式循环，即分离、回收和利用乏燃料中的铀和钚，代表国家有法国、日本、俄罗斯、英国和中国；二是一次通过循环，即乏燃料经冷却后，包装深埋处置，代表国家有美国、加拿大、德国、芬兰和瑞典；三是长期中间储存，即现时采取观望的态度，待技术路线成熟后再明确处置方式，代表国家有西班牙、韩国、墨西哥等[1]。

核电强国美国一直支持一次通过循环的乏燃料处置方式，并在2013年发布的《乏燃料和高放废物管理与处置战略》中明确，未来数十年仍将采取乏燃料直接处置的策略。

世界各国公认乏燃料处置的最佳及最终方式是长期深层地质存储。拥有商用核电站的国家正计划将各自的不同核燃料循环体系所产生的放射性废物等在深层地质存储库中进行存储。世界各核监管机构已基本达成共识，在深层地质存储库中存储、隔离和管理乏燃料是最为负责的一种方式。目前，芬兰、瑞士、法国已完成乏燃料后处理废物存储库的选址，并积极推进建设工作；中国、加拿大、德国、瑞士、日本、俄罗斯等正在积极开展储存库的选址工作。

2.乏燃料后处理的优势

乏燃料后处理可提高铀资源的利用率。天然铀中铀-235含量约0.71%，压水堆核电站卸出的乏燃料中铀-235含量为0.8%～1.3%，比天然铀还高。乏燃料后处理技术可回收铀和钚，再制作成UO2和MOX燃料返回热堆、快堆使用，实现铀资源利用率的提高。根据专家推测，压水堆使用乏燃料后处理技术可节省30%左右的天然铀；如果能实现快堆和后处理核燃料闭式循环，铀资源的利用率可提高60倍左右[2]。

乏燃料后处理可使放射性废物减容和毒性降低。乏燃料如按照一次通过循环的方式直接进行长期深层地质存储，高放废物量约2立方米/吨铀，如对乏燃料进行后处理，产生的高放废物量约0.5立方米/吨铀，减少约75%。按照当前国际上后处理的工艺技术水平，铀、钚回收率可达99.75%。同时，乏燃料中钚和次锕系元素放射性降低到基本无害的时间也从几十万年缩短为千年左右，分离出来的放射性元素也可能进行嬗变，从而进一步减少最终处置废物的放射性毒性[3]。

3.乏燃料后处理面临的问题

乏燃料后处理技术使铀资源利用率提高，但需要付出高昂的成本。由于后处理过程中涉及大量的放射性，对工作环境要求极其苛刻，且有较多的放射性存量。乏燃料后处理分离、回收和利用的钚有剧毒，而且是最重要的防止核材料扩散的物质。实质上，后处理厂就是运行、维护、检修都需要远程操控，具有核临界性质的化工厂。因此，后处理厂的安保等级要求和潜在风险均非常高。

后处理工艺技术复杂，工程建设周期长，不确定因素多，且乏燃料只能处理一次，MOX燃料使用后无法处理。目前国际上已建成和在建的不同规模轻水堆乏燃料商业后处理厂尚未标准化，需要在工程实践中逐步积累经验。法国阿格后处理厂（UP2-800和UP3运行中）、英国THORP后处理厂（运行中）、日本六个所后处理厂（在建）在工程实施过程中均遇到了诸多技术问题。

日本六个所后处理厂由法国阿海珐设计，年处理能力800吨铀/年，1993年开始建设，原定1997年完工，现已推迟24次，2015年初，建设资金已达2.14万亿日元（约合210亿美元），最新预计2021年完工。迄今，近30年建设期造成六个所后处理厂的总成本（包括运营费用）预计达到13.9万亿日元（约合1220亿美元），建设期过长导致的后期维修费用可能进一步推高总成本。

后处理厂从开工建设到完工至少需要10年的时间，按照核电中长期发展规划的目标推测，到2030年，国内核电站累积卸出乏燃料约25300吨，离堆贮存需求达15000吨，即便中外合作建设的后处理厂顺利投产使用，800吨铀/年的处理能力也很难解决乏燃料池饱和的问题。

当前，我国如建设800吨铀/年处理能力的后处理厂，保守预估建设费用至少需要1200亿元，按每台百万千瓦压水堆核电机组年产生乏燃料20-25吨计算，对应处理约24台核电机组全生命周期乏燃料产生量，每台机组的乏燃料后处理费用达数十亿元，如再加上后处理厂的运行费用，分摊到核电机组的成本将更高，对核电的上网电价将产生超过10%的影响。

4.我国核燃料的技术路线

80年代初，我国开始开发民用核电站，当时普遍认为，在我国铀资源缺乏的情况下，建立乏燃料后处理体系可以提高铀资源的利用率，并为未来发展快堆提供燃料。1983年，我国经过对核电发展计划、国内外铀资源情况及后处理工艺技术发展水平、安全性、经济性等方面进行充分论证后，明确了“发展核电必须相应发展后处理”，并在日内瓦国际会议上对外公布。

2007年，《核电中长期发展规划（2005-2020）》明确提出积极推进核电建设的发展方针，按照热中子反应堆-快中子反应堆-受控核聚变堆“三步走”的发展战略，并确定了核燃料选择闭式循环的技术路线。近期，我国一直积极寻求通过国际合作建设处理能力800吨铀/年乏燃料后处理厂。

5.建立乏燃料后处理体系应深入研究和慎重决策

我国核电正以较快的速度发展，目前，已实现商运的核电机组39台，容量约3802万千瓦，在建核电机组19台，容量约2174万千瓦，在建核电机组数量世界第一。未来，我国乏燃料数量持续增加是不争的事实，努力实现核电可持续发展也是必由之路，但现阶段是否建设800吨铀/年处理能力的乏燃料后处理厂值得商榷。

目前，国际上普遍使用的PUREX后处理流程由美国研发，美国的商用后处理厂起步较早。但1977年卡特政府宣布无限期推迟商业后处理政策后，至今仍没有商用后处理厂运行。发展核电较早的美国的乏燃料数量相比其他国家更多，并一直坚持乏燃料后处理技术的研究，但停滞现有的商用后处理技术必定有其深层次值得思考的原因。

2017年底，我国福建省霞浦示范快堆工程开工建设，未来将与乏燃料后处理技术形成燃料闭式循环体系，大幅提高铀资源利用率。全球仅美国、俄罗斯、法国、英国、德国、日本、印度和中国8个国家建成大小钠冷快堆20座，积累400多堆年运行经验，且大部分由研究堆和实验堆积累，尚无法建立商业模式，商运经验匮乏。目前，仅俄罗斯、日本、印度和中国有快堆运行，法国、英国、美国和德国快堆有关设施都先后被拆除或封存[4]。因此，规模化发展快堆将是一个长期的过程，并且，值得思考的另一个因素是快堆并非一定使用MOX燃料。

综上，无论从经济或技术角度考虑，当前我国建设乏燃料后处理厂面临较高的风险，项目一旦开建将延续数十年，涉及数千亿投入，且中途无法“脱身”。如果为了解决核电厂乏燃料储存问题，我国完全可以暂按一次通过循环的方式处置，并不需要急于建设后处理厂。选择核燃料闭式循环或一次通过循环技术路线均需要建设深层地质存储库，因此，我国当前应尽早完成深层地质存储库的研究、选址和试验验证等工作。