国外核电厂乏燃料贮存方式对比研究

徐 健，王 伟，黄庆勇，王祎峰

(1.国家国防科技工业局核技术支持中心，北京 100160；2.江苏核电有限公司，江苏 连云港 222000)

核电厂运行必然产生大量乏燃料，安全管理乏燃料对于核电安全稳定运行、核工业健康可持续发展有着举足轻重的作用。作为核燃料循环后段的一个环节，乏燃料中间贮存是乏燃料管理的重要环节。随着世界各核电大国核燃料循环政策的调整，乏燃料中间贮存在核燃料循环中的地位日趋重要。一方面，中间贮存减少了后处理过程因放射性而带来的一系列操作问题，使后处理在经济上更为合理。另一方面，中间贮存为后处理和处置技术开发、政策制定、技术路线选择、后处理厂选址和建设等预留了充裕的时间。

乏燃料贮存方式按照贮存介质包括干法和湿法两种，按照与核电厂址关系又分为在堆和离堆两种。其中干法贮存由于技术发展而衍生出不同的类型，世界各国已建成的干式贮存设施主要有空气冷却贮存室、干式混凝土容器、干井及金属容器等。由此可见，乏燃料中间贮存方式正趋于多样化。

目前，我国核电建设进入快速发展时期，但由于对核电厂乏燃料后续管理技术研究起步较晚，处理处置能力建设滞后于核电发展。因此，乏燃料中间贮存的技术研发和能力建设受到各方高度关注。

1 乏燃料贮存技术简介

所有核动力堆都配备建造有与反应堆运行相关的某种形式的乏燃料贮存水池(在堆贮存水池)。近年来，全球很多在运核电厂在堆(At Reactor)贮存水池均满负荷运转，影响了核电厂连续稳定运行。因此，有必要开发离堆(Away From Reactor)贮存。

已开发的离堆贮存技术有两种。最初贮存方法仍然是湿法贮存，随着技术和理念的发展，不同类型的干法贮存技术也得到了发展。离堆贮存包括反应堆厂址(Reactor-site，RS)建造附加中间贮存设施和厂址外(off-site)独立地址贮存设施两种。

无论湿法贮存还是干法贮存都必须满足：1)在装卸和暴露于腐蚀环境期间，应保持乏燃料包壳的完整性；2)在贮存期间，为防止乏燃料老化，应提供足够的冷却，使池水温度不超过管理目标值；3)在正常和事故状态下，保持乏燃料处于次临界状态；4)设置乏燃料的辐射屏蔽，确保操作人员、公众和环境的辐射剂量不超过管理目标值；5)通过最小化同位素的释放，确保环境安全；6)确保乏燃料可回取性。

如前所述，湿法贮存包括核电厂厂址上在堆水池(AR)和厂址上/远离厂址离堆(AFR)贮存两种。大多数AR贮存水池与反应堆同时建成一体运行。按照目前技术，湿法贮存特别是作为后处理厂附属设施的离堆湿法贮存，是乏燃料从反应堆卸除冷却和进行后处理前的必要贮存方式。目前，湿法贮存已经是非常成熟且通用的技术。

近年来，干法贮存技术研发进展显著。由于经济原因，研发出各种满足不同反应堆乏燃料特定贮存要求的干法贮存技术，如允许的包壳最高温度、气体环境(空气、CO2、氦气)等。出现了筒仓类、贮存室类和容器类等不同技术路线，金属容器式和混凝土容器式，以及贮存运输单一或复合式多用途贮存系统，如具有双重功能屏蔽容器的德国CASTOR屏蔽容器，比利时的TN 24容器和美国的NAC-STC容器等，可用于贮存和转运，以及从贮存设施开始运输，甚至某些贮存设施的乏燃料容器可用于运输和(或)最终处置，它们常被称为多用途系统。

综上所述，整个核电厂乏燃料贮存分为在堆湿法贮存、离堆湿法贮存及干法贮存等不同技术路线，相互间关系如图1所示。

图1 乏燃料贮存不同技术路线关系图Fig.1 Relations of different technical routes for the spent fuel storage

2 国外乏燃料贮存管理现状

受全球后处理及处置能力不足的制约，各核电大国核电厂卸出的乏燃料量大多都已经接近或超过核电厂在堆水池贮存容量，面临着乏燃料的去向问题。各核电国家经过多年经验积累，在明确核燃料循环政策基础上，逐步摸索出了适合于本国国情的乏燃料贮存管理技术路线。

2.1 美国乏燃料管理

美国一直是全球核电机组装机容量最大的国家，截至2019年年底，核电总净装机容量达99 061 MW，占总发电量19.3%。所有核电厂累计产生约8.4万t乏燃料，并以每年2 000 t数量增加。此外，还包括进行深地质处置海军核动力舰船卸出的近30 t乏燃料。其中，湿法贮存4.5万t，其余采取干式贮存。

1977年，美国暂停了国内乏燃料后处理，自此所有核电厂运行产生的乏燃料只能进行长期中间贮存，核电厂必须按法规要求自行解决乏燃料离堆贮存问题。

为解决乏燃料离堆贮存能力短缺的困境，1997年，经政府批准，相关企业组成的私人乏燃料贮存有限责任企业(PFS)向NRC提交了独立乏燃料贮存处理设施(ISFSI)(见图2)许可申请。2006年，该许可才得以颁发。同时，在新的国家政策尚未明确情况下，必须继续对全国73个反应堆厂内干法贮存设施进行扩建，以提高贮存能力。迄今已建成71个在运独立乏燃料干式贮存设施。

图2 美国福特圣瓦伦ISFSI干法贮存设施和内部图Fig.2 The dry storage facility and the interior of the Ford St. Warren ISFSI in the USA

此外，经能源部批准，美国核能协会(NEI)等相关组织联合私营企业研究提出了集中式乏燃料管理策略和一系列干式乏燃料贮存技术，为确保乏燃料安全管理提供了技术保障。该策略思路是：继续进行乏燃料接收和管理，并行开发最终处置库，同时就乏燃料选择后处理还是地质处置及具体方式开展深入研究和论证。其中，美国Energy Solution公司提出了一体化乏燃料管理系统(如图3所示)。即：在反应堆厂房或燃料厂房内使用特殊的自动封装模块将单个乏燃料组件用单独的密封罐封装，密封罐经密封、干燥、充入惰性气体后放回贮存水池冷却一定时间后取出放入乏燃料运输容器内，运至干法贮存设施模块化贮存室(MSV)内贮存。

图3 乏燃料一体化管理策略路线图Fig.3 The roadmap of spent fuel integrated management strategy

该策略虽然不能从根本上解决乏燃料处理处置问题，但通过充分利用干式贮存技术的布置灵活性和很强的适用性特点，为乏燃料长期安全管理提供了战略缓冲机会。

2014年9月，美国核管会(NRC)在现有法规基础上，修订颁布了《乏燃料干法长期贮存》实施细则，重点考虑了三种不同贮存期限乏燃料贮存方案，最终达到即使假定没有可用的处置库，乏燃料也能长期安全中间暂存。

目前，美国新产生的乏燃料均采用干式离堆贮存方式，有超过70%核电厂建造了乏燃料干式贮存设施，另有约2万t水池贮存的乏燃料将转入干式贮存设施。

据美国橡树岭国家实验室(ORNL)网站2021年8月18日报道，近日，该实验室接收了能源部(DOE)提供的未经使用的乏燃料贮存罐，以加速正在开展的乏燃料长期贮存项目研究。这种贮存罐原本并不是为乏燃料永久贮存而设计。ORNL研究团队表示，通过建模模拟，对包括蜡熔化物、金属熔融物、低熔点玻璃等可加热材料的效果进行研究。实现大幅延长乏燃料贮存罐贮存时间，达到长达一百万年永久贮存目标。

中核智库8月2日报道：美国核管会(NRC)于2021年7月批准了中间贮存公司(Interim Storage Partners)提交的在得克萨斯州安德鲁斯(Andrews)建设和运营一座总容量将达4万吨的乏燃料中间干法贮存设施的申请。

2.2 俄罗斯乏燃料管理

俄罗斯坚持“闭式循环”核燃料循环政策，并认为乏燃料是一种潜在的资源。截至2019年5月，俄罗斯有37台核电机组在运行，占总发电量17%。另有9座反应堆正在建设之中(包括一座800 MW快中子增殖堆)。

2003年1月，俄罗斯颁布了《乏燃料干法贮存设施安全要求规范》(HP 035-02),这是第一个干法贮存政策文件，明确了乏燃料干法贮存设施设计、建设、运行和退役的要求。2008年12月俄罗斯国家原子能公司(Rosatom)颁布《乏燃料管理概念》(第721号法令)再次确认后处理“闭式循环”政策。

俄罗斯乏燃料主要来源于核电厂、研究堆和核动力破冰船队等。大多数核电厂乏燃料贮存在在堆贮存水池中，2011年，热列兹诺戈尔斯克的容量为8600吨RBMK(BWR)乏燃料干法贮存设施正式投运。目前，核电厂在堆贮存设施及集中贮存累积21 714吨乏燃料。在Lepse、Lotta和Imandra三个浮式维修基地还贮存了一定数量核动力破冰船乏燃料。截至2018年年初，累计产生乏燃料量达25 113 tHM，这还不包括军用核动力新卸载下来的乏燃料。见图4。

图4 俄罗斯企业中的乏燃料Fig.4 Spent fuels of Russian enterprises

俄罗斯西北部地区由于核武器和核潜艇研制,大约留存有6万多根核潜艇乏燃料元件。自20世纪80年代起，俄罗斯就在这些地区开展核潜艇的拆卸等活动，造成部分地区环境严重污染。针对环境污染和潜艇中拆卸乏燃料量而贮存能力严重短缺等问题，西方国家与俄方沟通，并对设计方案进行了对比，由于新建湿式贮存设施费用比干式贮存设施方案要高80%，且干法贮存具有放射性释放较低，废物生成少，工作人员和环境造成的放射性剂量比较小等技术优点。最终确定在俄罗斯马亚克后处理厂建造新的干式贮存设施，并分两期进行建设，两期设计容量均为33 750个乏燃料组件贮存能力。

该设施由西方国家提供资金，英国核燃料有限(BNFL)公司、瑞典的SKB公司、法国SGN公司一起合资成立的工业集团(1G)公司，联合俄罗斯圣彼得堡基础工程公司(VNIPIET)共同设计。截至2017年年底，已贮存400多吨乏燃料，由于国际形势变化，现在IG工业集团与俄罗斯正在讨论如何继续开展后续工作。

在该干式地下贮存设施运行过程中，面临的主要问题是如何把乏燃料运到马亚克。即使按照年运输100～200个集装箱运输能力，现有的铁路运输线、运输专列和乏燃料运输容器足够的情况下，也要持续几十年才能完成。

2.3 法国乏燃料管理

法国是名副其实的核大国，由于国内铀资源量有限，法国始终坚持闭式核燃料循环政策，强调乏燃料是一种资源，并通过《废物法》从国家层次确认了对乏燃料采取后处理/循环利用的国策。根据规定，法国出台了国家放射性材料和废物管理计划(PNGMDR)，明确要求必须根据不同乏燃料的特征来选择和制定具体管理策略，这表明，并非所有类型的乏燃料都要进行后处理。

截至2018年年底，法国有58座在运核电厂，占全国总发电量的71%以上,平均每年产生约1150 t乏燃料。同时，法国作为全球最大民用乏燃料后处理国家，为包括德国、日本在内很多国家提供乏燃料后处理服务，并在乏燃料管理方面开发了相关技术体系，积累了丰富经验。

法国仅在卡达拉齐(CADARACHE)建有一座贮存能力为180 t重金属的干式贮存设施(CASCAD)，用于贮存重水研究堆乏燃料(如图5所示)。该设施建于1990年，设计运行时间为50年，乏燃料贮存在319个贮存罐内，整个贮存室长35 m，宽25 m，高16 m，分检查区，操作区，贮存区和通风区。

图5 法国CASCAD干法贮存设施Fig.5 The CASCAD dry storage facility in France1—容器接收；2—把容器转入闸门小室；3—检查容器沾污和元件损坏情况；4—把容器送入处理室；5—遥控打开容器；6—转移燃料组件；7—安防护塞；8—安装密封塞；9～12—取出空容器

除此之外，其余乏燃料均为湿法贮存方式，包括同样位于卡达拉奇(CADARACHE)核能研究中心的CARES湿法贮存水池，以及阿格后处理厂(La Hague)的UP2和UP3的贮存水池，法国超凤凰(SUPERPHÉNIX)快堆1997年停运后产生的所有乏燃料，目前贮存在法国电力公司的Creys-Malville场址贮存水池中。

法国乏燃料贮存设施包括核电厂在堆贮存设施、离堆贮存设施及后处理厂贮存设施等。

其中，法国电力公司(EDF)负责核电厂在堆乏燃料贮存管理，将在堆贮存水池冷却后的乏燃料组件运往La Hague后处理厂进行后处理。原子能委员会(CEA)负责研究堆乏燃料管理，按规定将乏燃料贮存在卡达拉奇(Cadarache)现场离堆乏燃料干式贮存库(CASCAD)及水池贮存设施(CARES贮存池)内，以待运到La Hague后处理厂进行后处理。阿海珐(现为欧安诺，Orano)负责乏燃料运至La Hague后的管理。

阿格后处理厂所有乏燃料均贮存在UP3-A、UP2-800和STE3乏燃料接收和贮存厂房内，总贮存能力达到1.76万t。具体情况见表1。

表1 法国阿格厂乏燃料池贮存能力

3 两种贮存方式经济性对比

3.1 国际原子能机构对乏燃料贮存经济性的相关考虑

国际原子能机构(IAEA)认为：乏燃料贮存设施的各种费用可以按费用类别和费用构成部分来分类。费用类别包括初始开发费、投资费、运行费、后续开发费、运输费和退役费。每一类别内又有各种构成部分，初始开发费的构成部分包括许可证申请费和审管费等，如果审管部门继之要求每年缴费，则许可证申请费和审管费也将影响到运行费；投资费构成部分包括土地征用、场地准备、设计和工程，建造和施工、工艺设备、仪表设备及调试；运行费构成部分包括劳力、器材、服务、能源、维修、废物的形态调整和处置、税率和保险及质量保证。

运行费用是在乏燃料贮存设施建成并投入运行后才发生的费用。燃料贮存前的开支主要是将燃料从核动力厂运到贮存设施的费用。燃料贮存期间的开支起因自前面提到的各项构成部分。在贮存设施使用期结束时，必须为燃料的最终处理(后处理或处置)支付新的运费。在燃料最终运走后，设施必须退役，在一些国家中，这笔退役费被计入运行费中核算。

贮存设施的贮存容量是运行费中一个非常重要的因素，而贮存方案则是影响运行费用的一个决定性因素。

国际原子能机构认为乏燃料贮存设施的运行费用与贮存容量有着密切的关系，无论何种贮存方式(干式还是湿式)，都应将设施使用期内历年运行费用贴现相加，得出运行期内的总运行费用，然后除以贮存库容量(即费用“均摊”)。利用这种方法，国际原子能机构针对乏燃料干式贮存的干井、筒仓和金属容器三种类别进行了对比，结果表明干井式干法贮存方式的贮存费用最高，金属容器式干法贮存方式的贮存费用最低。见图6。

图6 全部运行费用与容量的关系Fig.6 Relations between the total operating cost and capacity

由上可见，国际上通行的干法贮存和湿法水池贮存两种乏燃料贮存技术路线，无论从管理实践、运行维护和相关设备制造来看，都是非常成熟的。

3.2 运行阶段两种贮存方式经济性比较

按照国际原子能机构的思路，核电厂乏燃料贮存设施在运行阶段的费用包括劳力、器材、服务(监测检测等)、能源(动力费)、维修、废物的形态调整和处置、税率和保险及质量保证等。在此，以650 t的铀贮存能力的设施为核算前提，对干法和湿法两种贮存技术路线离堆贮存的经济性进行对比，具体如下：

(1)湿法离堆贮存设施

根据相关核电厂乏燃料湿法水池贮存运行设施调研，贮存能力为650 tHM的乏燃料贮存水池，前期一次性投入大约为6亿～6.5亿元人民币(不包括运输容器采购费用)。估测年度运行费约为5 400万人民币，其中包括人员工资和福利费、动力费及其他费用。具体如表2所示。

表2 湿法贮存年度运行费用表

此外，考虑到设施关闭或运行中间过程中，湿法贮存水池中水以及贮存格架作为放射性废物，其产生量较大且种类较多，也需要作为成本进行计算。

(2)干法离堆贮存设施

国外相关运行经验表明，对贮存能力为650 tHM金属容器的乏燃料贮存设施，前期一次性投入大约为9.5亿～10亿元人民币(其中包括容器采购)。后期的年度运行费用大约为2 500万人民币。运行费用包括人员工资和福利费、动力费及其他费用。具体如表3所示。

表3 干法贮存年度运行费用表

当然，干法贮存也可以选择分批投入，一次性投入较少。此外干法贮存设施在关闭退役后，需要处理处置的放射性废物主要是混凝土、不锈钢等固体废物，其中大量的可以清洁解控再利用，因此从放射性废物处理处置角度来看也较为经济。同时，通过干法贮存，可推迟乏燃料后处理或直接处置的时间，从而节省大量的资金成本。

4 两种贮存方式对比

4.1 主要特点

湿法贮存一般用添加硼酸的去离子水作为中子吸收剂，增大中子吸收强度，预防临界事故发生。其最大特点是：用水作为冷却剂和辐射防护层，是乏燃料贮存与后处理衔接的必然环节，因此，乏燃料湿法贮存是离堆贮存方式中能够与后处理设施同址建设。如图7所示。

图7 核电厂乏燃料在堆贮存水池Fig.7 The on-site spent fuel storage pool of a nuclear power plant

湿法贮存管理环节有：运输到贮存点，公铁换装责任转移；运输容器到贮存厂房，吊装容器到冷却池，检测并充水后吊装至卸料池，吊装乏燃料组件到贮存池。

干法贮存主要特点是：用气体或空气而不用水作为冷却剂(通常用惰性气体如氦气，或者如氮气防止乏燃料贮存过程中发生氧化)，用金属或混凝土而不用水作为辐射防护层。通常，必须将乏燃料贮存在水池中冷却若干年，才能进行干法贮存。如图8所示。

图8 干法贮存技术示意图Fig.8 The schematic of dry storage technique

干法贮存管理环节有：场内运输乏燃料到贮存设施(贮运一体除外)；从运输容器中将组件吊装入贮存容器；启动监测系统进行监测，乏燃料组件进入离堆中间贮存状态。

4.2 运行安全管理

由于干法和湿法两种乏燃料贮存方式的冷却介质不同，直接影响乏燃料的安全管理。

湿法贮存安全性主要表现为：1)确保贮存池水不泄漏，并保持乏燃料持续位于安全水位下；2)确保贮存池水中子吸附能力强，避免发生临界反应；3)在事故情况下，确保冷却水供应，防止乏燃料熔化。必须通过强化管理和严格执行运行具体规程，确保湿法贮存的安全运行。

干法贮存方式中，由于贮存期间不产生常规废物、固体废物、液体或气态流出物。因此不需要流出物处理和监测系统。设施运行安全性重点在确保通风，须通过对贮存系统进风口和出风口的日常目视检查，确认无杂物阻碍，确保通风顺畅。贮存模块没有需要周期性检修的能动部件，最大限度地减少维修活动造成的职业剂量。贮存模块的密封设计，确保乏燃料在贮存期间无任何放射性物质外排。模块化设计确保单个模块和整体系统的屏蔽能力不会造成任何设施外照射。

综上所述，干法和湿法两种贮存方法主要特点对比总结如表4所示。

表4 两种贮存方法特点比较

综合分析，两种贮存方式在技术方面都是比较成熟的，从经济性比较，湿法由于基建投资、运行和维护费高，产生废物量大且退役难度大，对短期和中期贮存而言，干法贮存整体因其模块化而具有较强优势。从技术上比较，干法贮存是一种非常灵活且适应性更好的贮存方式，它提供了最方便和有效的贮存方式，能够适应不同的情况变化。从安全性比较，由于冷却介质的不同，影响设施灵活性和安全性，无论是人员照射剂量还是环境影响程度，干法贮存都具有很强的优势。从与后处理厂的衔接上，湿法贮存可以与后处理设施同址建设，便于安全操作乏燃料进入后处理。

5 结论及建议

我国坚持闭式循环的核燃料循环政策，作为资源，乏燃料的有效管理和利用是我国解决核能发展过程中资源瓶颈的重要手段。乏燃料安全贮存作为核燃料循环的一个环节,是核电乃至核能事业发展的重要一环。

从上述分析来看，在同等贮存容量的情况下，干法离堆贮存设施在运行阶段要比湿法离堆贮存设施相对具有经济性。同时，从最终关闭退役角度看，由于湿法贮存涉及到水池中水的监测和处理，二次废物产生量较大，而干法贮存由于二次废物产出量极少，更具有经济性。

乏燃料湿法贮存是乏燃料卸出堆芯后进行一定时期冷却的必要环节，是在现有后处理技术条件下对乏燃料进行后处理前的必须贮存方式，是必不可少的。干式贮存作为湿法贮存的有益且必要的补充方式，由于其独具的灵活性、废物少量化及经济性等独特优势，目前已经成为全球核电大国开展乏燃料中间长期暂存的优先选择。

对我国来说，由于目前后处理和处置能力有限，核燃料循环技术应用研究的局限性。从资源回收利用的角度看，乏燃料中间暂存是必不可少的甚至是长期的选择。考虑到今后一段时期我国核电发展的规模和速度，提出如下建议：

1)尽快制定乏燃料管理法律法规，明确乏燃料贮存政策、技术标准及安全保险等制度，从顶层设计上为乏燃料贮存技术研发和工程建设提供指导，防止研发技术及其应用太分散导致资源浪费。

2)开展乏燃料干法贮存技术研发和标准建立，包括容器研制、设施建造、人才培养等，为顺利实施离堆集中乏燃料干法贮存示范工程建设、全面吸收并自主掌握干法贮存相关技术提供工程经验和技术标准保障。

3)着手开展滨海集中式贮存设施建设的前期研究工作，包括运输和贮存方式、投资比例、运行管理模式等内容。解决核电厂乏燃料中长期贮存困境。

4)综合考虑与后处理设施衔接和长距离运输能力，进一步加强乏燃料湿法贮存能力建设。

综上所述，安全贮存乏燃料涉及我国闭式循环的核燃料循环政策的落实，掌握相关技术对我国国内核电和核能事业的安全有序发展、乃至核电“走出去”战略的实施具有非常重要的意义。