淺談核電廠乏燃料

李若瑜

摘要：核能是一種安全清潔能源，但是核電廠產生的乏燃料對核電廠的安全性存在著威脅，如何對待以及處理乏燃料是各有核國家必須面對的問題。本文對乏燃料處理方式以及我國乏燃料管理現狀進行討論，提出了目前存在的問題和對未來的展望。

一、引言

核能是一種低碳、高效、安全的清潔能源，核電廠乏燃料的后處理對優化我國能源結構具有重要意義。核電廠的動力核心反應堆，是乏燃料產生的地方，在反應堆中運行一段時間后卸下來的燃料元件稱作乏燃料。乏燃料其中96%是有用核材料（94.5%鈾238，0.8%鈾235，0.8%钚239），真正的核廢料只占4%左右。

二、乏燃料處理方式

目前國際上對于乏燃料處理有一次通過和后處理閉式循環兩種方式。一次通過方式也叫開式燃料循環方式，其處理過程簡單，將卸出的乏燃料不經處理直接包裝，然后放置到地質條件合適的處置點進行長期貯存，不再循環利用。該方式在鈾價較低的情況下更經濟，利于防止核擴散。由于乏燃料仍具較大的放射性，要使其放射性衰減至天然鈾礦的水平需存放幾十萬年[2]，所以一次通過方式的后續處理環節還存在較大的工程和技術難度，而且漫長的存放時間會帶來許多不確定因素，對環境安全存在長期威脅。使用該方式的代表國家有西班牙、芬蘭、瑞典等。

后處理閉式循環是將乏燃料中約95%的鈾和1%的钚分離出來再次利用，將剩余約4%的真正核廢料進行深地質處置，或分離嬗變后再進行處置[2]。代表國有法國、日本、俄羅斯等。我國在20世紀80年代便確立了“熱堆-快堆-聚變堆”三步走核能發展戰略和“中試規模-示范規模-工業規模”的乏燃料后處理產業發展路線，并堅持乏燃料后處理的國策。一般壓水堆核電廠鈾資源的利用率很低，如果將后處理后的鈾在壓水堆中再循環利用一次，即可節約25%的天然鈾，如果把后處理得到的貧鈾用于快堆，鈾利用率可提高到60%-70%[1]，鈾資源的利用率提高了幾十倍。另一方面，高放廢物的體積大幅減少，可減小貯存壓力。乏燃料后處理存在很大優勢，理想的多次閉式燃料循環可大大減低人們對天然鈾的依賴。

當然也有一部分國家如阿根廷、韓國、巴西等選擇“等等看”，它們對乏燃料處理還沒有明確的決策，需根據研究進展延后處理。

三、乏燃料后處理環節

由于反應堆卸出的乏燃料具有很高的釋熱量和放射性，在乏燃料水池中儲存至少5年后才能運輸到容量較大的離堆暫存設施中。因此乏燃料后處理涉及的貯存、運輸、后處理、高放廢物深地質處置等環節的安全管理也至關重要。

乏燃料貯存

乏燃料貯存方式有濕法貯存和干法貯存兩種。乏燃料從反應堆卸載出來后，首先應貯存在核電廠配套的乏燃料水池中，乏燃料水池中的水可以吸收大量的釋熱量。但是由于乏燃料后處理能力遠小于乏燃料產生速率，乏燃料水池只能暫時貯存，所以乏燃料離堆貯存是我們應必須重視的環節。乏燃料冷卻到一定程度后需移出乏燃料水池，在最終方案確定前，放入濕法中間貯存設備或干式貯存桶進行長期貯存。國際上乏燃料濕法貯存和干法貯存技術都比較成熟。乏燃料從反應堆卸出后到開展其他中間貯存方式的最佳選擇是濕法貯存;而從長時間暫存、安全性、經濟性、建造及運行維護便利性等方面來看干法貯存更具優勢[2]。目前我國主要以濕法貯存為主，雖然正在開展干法貯存相關實踐和工作，但其建設水平還有待進一步加強。

乏燃料運輸

乏燃料運輸是乏燃料處理不可缺失的一部分，連接著乏燃料貯存設施、后處理廠和高放廢物深地質處置庫。目前我國核電廠主要分布在東南沿海地區，而乏燃料處理廠位于西北深內陸地區。加上十三五期間全國核電廠所需外運的乏燃料總數將超過3000組，約為十二五期間的5倍多，這使得乏燃料的運輸需求急劇增加。當前乏燃料公路，鐵路，海路的多式聯運體系，正緊鑼密鼓地推進，這將為未來我國核電廠乏燃料的大規模運輸提供更為經濟、高效的運輸保障。

乏燃料后處理

乏燃料運輸到后處理廠之后，先進行乏燃料元件外殼的切割去除，由于乏燃料的放射性非常高，遠距切割裝置能有效地解決在后處理廠中操作人員安全性的問題，其切割過程的主要步驟是先利用視頻系統調整支撐臂的位置，然后用夾緊模塊夾住目標結構，接著啟動金剛石線鋸切割，切割后的乏燃料進行濕法處理，其被硝酸溶液溶解后進行下一步流程。

目前乏燃料的后處理工藝，主要分為濕法處理和干法處理。簡單來說，就是一個在溶液中進行提取，一個在高溫無水環境下進行處理，商用較多的是PUREX流程，其工藝是濕法處理。在乏燃料后處理上，中國政府建立了核電廠乏燃料處理處置基金制度，并設立乏燃料后處理科研專項，盡可能地讓乏燃料后處理工作全面提速。[3]

高放廢物深地質處置

乏燃料后處理所產生的廢液及其固化體以及不進行后處理直接處置的乏燃料元件，放射性活度濃度高、釋熱量大、毒性大，含有長半衰期核素，其潛在危害持續時間達百萬年之久，稱為高放廢物。高放廢物通過玻璃固化，采用玻璃固化體加廢物罐加緩沖材料的三重工程屏障，使其有效阻水并防止核素遷移。處理后的高放廢物被處置在地質合適的處置點，使其與人類的生存環境隔離。

關于高放廢物安全處置問題，我國明確了“選址、地下實驗、處置庫建造”三步走戰略，提出2050年最終建成高放廢物處置庫的目標。

四、我國乏燃料處理現狀

多個完全自主知識產權的第三代核電的成功研發，意味著我國核電技術水平已經成熟，與之相應的核循環后端即乏燃料后處理技術卻不能與之匹配，核電的建設和發展需配套的核燃料循環設施來支持，因此后處理能力建設的滯后成為制約我國核電發展的重大因素。與后處理相關的高放廢物玻璃固化，遠程維修和自動控制方面，我國技術能力也有待提高，剪切機、溶解器、钚尾端等設備也需完善。

我國已建的離堆乏燃料濕法貯存水池無法滿足離堆貯存需求，到2030年，全國各核電廠卸出的乏燃料累計將達到23500噸，離堆貯存需求達到15000噸以上[4]。大部分乏燃料只能暫存于核電廠配套的在堆貯存水池中，像秦山、田灣、大亞灣等已經運行多年核電廠的在堆水池剩余貯存量即將無法滿足貯存需求。干法后處理技術與美國、日本、韓國等國家還有較大差距。乏燃料離堆貯存能力的短缺可能會給乏燃料管理帶來風險和威脅。

我國核電現狀，如機型眾多，乏燃料品種多樣，核電廠布局零散等，使得乏燃料的運輸面臨許多困難。而運輸相關的法律法規體系和事故應急體系也有待完善。

五、展望

乏燃料離堆貯存能力是核電能否長期安全發展的重要環節。基于干法貯存有安全可靠性、場址獲得性、靈活性，經濟性、建設周期短及運行維護便利性等優點，應以乏燃料長期安全貯存為目的，加快乏燃料干法貯存能力建設，加快濕法和干法相結合的貯存技術建設，以此來保障乏燃料長期的安全管理和核電的穩定運行。

我國是世界上在建核電機組數和在運行核電機組數都位居前茅的核電大國，我國核電發展水平不斷提高，正逐步邁向核電強國的行列。在核電發展的同時，應保持乏燃料處理技術的跟進，要加強后處理能力及產業的建設，希望未來不久，我國乏燃料后處理能力不僅能解決我國自身需求，也可以為我國核電出口提供強有力的技術保障。

參考文獻：

[1]劉敏，石安琪，李志華，石磊，張紅林，李林蔚，王鵬飛.走進核電廠乏燃料.

[2]劉超，劉曉劍，廖琳，潘亞蘭，何興波，張連勝.核電廠乏燃料濕法與干法貯存技術對比研究及相關對策建議.

[3]張健華.促進中國核能可持續發展，共創世界核能發展美好未來.

[4]沈潔鋒.淺談我國乏燃料管理現狀.

南華大學 湖南省衡陽市 421001