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【摘要】國際上對乏燃料的處置方式主要有三種：閉式循環(huán)、一次通過循環(huán)和長期中間儲存。我國核燃料選擇閉式循環(huán)的技術路線，擬通過國際合作建設處理能力800噸鈾/年的大型商用乏燃料后處理廠，其工藝技術復雜，工程建設周期長，投資存在很大不確定性，未來將有可能直接影響核電的上網(wǎng)電價。核燃料閉式循環(huán)或一次通過循環(huán)技術路線均需要建設深層地質(zhì)存儲庫，我國應盡早完成深層地質(zhì)存儲庫的研究、選址和試驗驗證等工作。

一、國際上乏燃料的普遍處置技術路線

當前，國際上對乏燃料的處置技術路線主要有三種：

1.閉式循環(huán)（見圖1），即通過分離、回收乏燃料中的鈾和钚，再制成核燃料用于壓水堆或快堆，同時分離或提取核燃料在反應堆中輻照時所產(chǎn)生的裂變核素和超鈾元素，可大幅降低地質(zhì)處置廢物的體積，并利用嬗變技術縮短其危害持續(xù)時間。法國、英國、日本、俄羅斯和中國是對乏燃料進行后處理的代表國家。

圖1 核燃料閉式循環(huán)示意圖

2.一次通過循環(huán)（見圖2），即反應堆使用后的乏燃料不再進行資源再利用，直接通過整備和處置工藝技術包裝深埋處理，并滿足長期安全存放要求，美國政府于1977年決定采用一次通過循環(huán)的技術路線，其他代表國家有加拿大、德國、芬蘭和瑞典。

圖2 核燃料一次通過循環(huán)示意圖

3.長期中間儲存，即尚不明確乏燃料的管理線路，現(xiàn)時采取觀望的態(tài)度，采取離堆臨時貯存方式，待技術路線成熟后再明確處置方式，代表國家有西班牙、韓國、墨西哥等[1]。乏燃料離堆貯存分為濕法貯存和干法貯存，濕法貯存通過池水對乏燃料進行冷卻和屏蔽；干法貯存通過空氣或惰性氣體對流對乏燃料進行冷卻，用金屬或混凝土作為屏蔽[2]。

核電強國美國一直支持一次通過循環(huán)的乏燃料處置技術路線，并在2013年發(fā)布的《乏燃料和高放廢物管理與處置戰(zhàn)略》中明確，未來數(shù)十年仍將采取乏燃料直接處置策略。當前世界各國公認乏燃料處置的最佳及最終方式是長期深層地質(zhì)存儲。擁有商用核電站的國家正計劃將各自的不同核燃料循環(huán)體系所產(chǎn)生的放射性廢物等在深層地質(zhì)存儲庫中進行存儲。世界各核監(jiān)管機構已基本達成共識，在深層地質(zhì)存儲庫中存儲、隔離和管理乏燃料是最為負責的一種方式。目前，芬蘭、瑞士、法國已完成乏燃料或后處理廢物存儲庫的選址，并積極推進建設工作；加拿大、德國、瑞士、英國、日本、俄羅斯以及中國均在積極開展存儲庫的選址、試驗驗證等工作。

二、乏燃料后處理的工藝流程

乏燃料后處理是從輻照后的乏燃料中分離提取鈾、钚等有價值的元素，回收的鈾占95%，钚占1%，其他4%主要是高放廢物。后處理生產(chǎn)的鈾經(jīng)過不同工藝處理后可用于所有堆型作為核燃料，但現(xiàn)階段均存在不同程度的技術難度，后處理生產(chǎn)的钚產(chǎn)品直接制成鈾钚混合氧化物（MOX）燃料，可用于壓水堆或快堆作為核燃料。

普雷克斯（PUREX）后處理流程是目前國際上普遍使用的乏燃料后處理工藝流程，主要包括機械和化學首端、化學分離、鈾尾端和钚尾端三個部分。機械首端是將乏燃料組件成束切割成短段，供化學首端溶解；化學首端是溶解燃料棒短段中的鈾芯，再將溶解液澄清過濾，調(diào)節(jié)價態(tài)，計量?；瘜W分離是通過共去污分離循環(huán)、鈾純化循環(huán)和钚純化循環(huán)使鈾、钚與放射性裂變產(chǎn)物分離以及鈾、钚之間的分離純化。鈾尾端是通過料液濃縮蒸發(fā)器對來自鈾純化循環(huán)的含鈾水相料液進行蒸發(fā)濃縮，濃縮后的料液進入流化床進行脫硝制備氧化鈾產(chǎn)品；钚尾端是將分離出的料液進入钚純化與濃縮車間，通過沉淀反應、過濾和煅燒等處理流程制備氧化钚產(chǎn)品。

三、乏燃料后處理的優(yōu)勢

1.提升離堆貯存能力

隨著全球核電發(fā)展規(guī)模越來越大，產(chǎn)生的乏燃料數(shù)量不斷增加，乏燃料離堆貯存能力將無法滿足核電持續(xù)發(fā)展的需要。通過采用乏燃料后處理技術路線可實現(xiàn)乏燃料集中管理，提升乏燃料離堆貯存能力，對核電行業(yè)發(fā)展和電站安全穩(wěn)定運行具有積極意義。

2.提高鈾資源利用率

乏燃料后處理須有一定規(guī)模的核電裝機容量支撐，從而提高鈾資源的利用率。天然鈾中鈾-235含量約0.71％，壓水堆核電站卸出的乏燃料中鈾-235含量為0.8％～1.3％，比天然鈾還高。乏燃料后處理技術可回收鈾和钚，再制作成氧化鈾和鈾钚混合氧化物（MOX）燃料返回熱堆、快堆使用，實現(xiàn)鈾資源利用率的提高。根據(jù)專家推測，壓水堆使用乏燃料后處理技術可節(jié)省30％左右的天然鈾；如果能實現(xiàn)快堆和后處理核燃料閉式循環(huán)，鈾資源的利用率可提高60倍左右[4]。

3.減少廢物處置量和毒性

乏燃料后處理可使放射性廢物減容和毒性降低。乏燃料如按照一次通過循環(huán)的方式直接進行長期深層地質(zhì)存儲，高放廢物量約2立方米/噸鈾，如對乏燃料進行后處理，產(chǎn)生的高放廢物量約0.5立方米/噸鈾，減少約75%。按照當前國際上后處理的工藝技術水平，鈾、钚回收率可達99.75%。同時，乏燃料中钚和次錒系元素放射性降低到基本無害的時間也從幾十萬年縮短為千年左右，分離出來的放射性元素也可能進行嬗變，從而進一步減少最終處置廢物的放射性毒性[4]。

四、乏燃料后處理面臨的問題

1.工藝技術不成熟

后處理工藝技術復雜，工程建設周期長，不確定因素多，且乏燃料只能處理一次，使用后無法再處理。目前國際上現(xiàn)有和在建的商用乏燃料后處理廠均未實現(xiàn)標準化，需要在建設和運行過程中不斷積累經(jīng)驗。法國阿格后處理廠（UP2-800和UP3運行中）、英國THORP后處理廠（運行中）、日本六個所后處理廠（在建）在工程實施和運行過程中均遇到了諸多技術問題。

2.經(jīng)濟風險高

通過乏燃料后處理技術提高鈾資源利用率需要付出高昂成本。由于后處理過程中涉及大量的放射性，對工作環(huán)境要求極其苛刻，且有較多的放射性存量。乏燃料后處理分離、回收和利用的钚有劇毒，而且是最重要的防止核材料擴散的物質(zhì)。實質(zhì)上，后處理廠就是運行、維護、檢修都需要遠程操控，具有核臨界性質(zhì)的化工廠。因此，后處理廠需要大量的資金保障技術可靠和運行安全。

日本六個所后處理廠由法國阿海琺設計，年處理能力800噸鈾/年，1993年開始建設，原定1997年完工，現(xiàn)已推遲24次，2015年初，建設資金已達2.14萬億日元（約合210億美元），最新預計2021年完工。迄今，近30年建設期造成六個所后處理廠的總成本（包括運營費用）預計達到13.9萬億日元（約合1220億美元），建設期過長導致的后期維修費用可能進一步推高總成本。

3.增加核電機組的運行成本

當前，我國如建設800噸鈾/年處理能力的大型商用乏燃料后處理廠，保守預估建設費用至少需要1200億元，按每臺百萬千瓦壓水堆核電機組年產(chǎn)生乏燃料20-25噸計算，對應處理約24臺核電機組全生命周期乏燃料產(chǎn)生量，每臺機組的乏燃料后處理費用達數(shù)十億元，如再加上后處理廠的運行費用，分攤到核電機組的成本將更高，對核電的上網(wǎng)電價將產(chǎn)生超過10%的影響。

后處理廠從開工建設到完工至少需要10年的時間，按照核電中長期發(fā)展規(guī)劃的目標推測，到2030年，國內(nèi)核電站累積卸出乏燃料約25300噸，離堆貯存需求達15000噸，即便中外合作建設的后處理廠順利投產(chǎn)使用，800噸鈾/年的處理能力也很難解決乏燃料池飽和的問題。

五、我國核燃料的技術路線

80年代初，我國開始開發(fā)民用核電站，當時普遍認為，在我國鈾資源缺乏的情況下，建立乏燃料后處理體系可以提高鈾資源的利用率，并為未來發(fā)展快堆提供燃料。1983年，我國經(jīng)過對核電發(fā)展計劃、國內(nèi)外鈾資源情況及后處理工藝技術發(fā)展水平、安全性、經(jīng)濟性等方面進行充分論證后，明確了“發(fā)展核電必須相應發(fā)展后處理”，并在日內(nèi)瓦國際會議上對外公布。2007年頒布的《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005-2020）》明確提出積極推進核電建設的發(fā)展方針，按照熱中子反應堆-快中子反應堆-受控核聚變堆“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，并確定了核燃料選擇閉式循環(huán)的技術路線和乏燃料后處理策略。

按照我國核電發(fā)展規(guī)劃，到2025年每年需天然鈾約1.5萬噸，以核電站壽期60年計算，累計需要天然鈾約90萬噸。根據(jù)國際原子能機構的預測，全球經(jīng)濟可開采鈾資源約600萬噸，我國的鈾資源相對匱乏，將有可能制約核能可持續(xù)發(fā)展。近期，我國一直積極尋求通過國際合作建設處理能力800噸鈾/年大型商用乏燃料后處理廠，一方面通過國際合作建設可以盡快形成一定后處理和鈾钚混合氧化物（MOX）燃料制造能力，加快推動我國核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)商業(yè)化進程；另一方面可以通過項目建設消化吸收獲得的各種技術，結合我國正在開展的后處理示范項目，使我國盡快掌握國際先進的后處理技術，獲取大型商用乏燃料后處理能力和鈾钚混合氧化物（MOX）燃料制造廠的設計、關鍵設備制造、工程建設能力等。

六、建立乏燃料后處理體系應深入研究和慎重決策

我國核電正以較快的速度發(fā)展，目前，已實現(xiàn)商運的核電機組47臺，容量約4875萬千瓦，在建核電機組15臺，容量約1694萬千瓦，在建核電機組數(shù)量世界第一。未來，我國乏燃料數(shù)量持續(xù)增加是不爭的事實，努力實現(xiàn)核電可持續(xù)發(fā)展也是必由之路，但現(xiàn)階段是否建設800噸鈾/年處理能力的大型商用乏燃料后處理廠值得商榷。

普雷克斯（PUREX）后處理流程由美國研發(fā)，美國的商用后處理廠起步也較早。但卡特政府宣布無限期推遲商業(yè)后處理政策后，至今仍沒有商用后處理廠運行。發(fā)展核電較早的美國的乏燃料數(shù)量相比其他國家更多，并一直堅持乏燃料后處理技術的研究，但停滯現(xiàn)有的商用后處理技術必定有其深層次值得思考的原因。

隨著我國快堆技術的發(fā)展與應用，未來將與乏燃料后處理技術形成燃料閉式循環(huán)體系，大幅提高鈾資源利用率。全球僅美國、俄羅斯、法國、英國、德國、日本、印度和中國8個國家建成大小鈉冷快堆20座，積累400多堆年運行經(jīng)驗，且大部分由研究堆和實驗堆積累，尚無法建立商業(yè)模式，商運經(jīng)驗匱乏。目前，僅俄羅斯、日本、印度和中國有快堆運行，法國、英國、美國和德國快堆有關設施都先后被拆除或封存[5]。因此，規(guī)?；l(fā)展快堆將是一個長期的過程，并且值得思考的另一個因素是快堆并非一定使用鈾钚混合氧化物（MOX）燃料。

無論從經(jīng)濟或技術角度考慮，當前我國建設大型商用乏燃料后處理廠面臨較高的風險，項目一旦開建將延續(xù)數(shù)十年，涉及數(shù)千億投入，且中途無法“脫身”。如果為了解決核電廠乏燃料存儲問題，我國完全可以暫按一次通過循環(huán)或長期中間儲存的方式處置，并不需要急于建設后處理廠。選擇核燃料閉式循環(huán)或一次通過循環(huán)技術路線均需要建設深層地質(zhì)存儲庫，因此，我國當前應盡早完成深層地質(zhì)存儲庫的研究、選址和試驗驗證等工作。

七、對我國大型商用乏燃料后處理廠建設的建議

1.完善乏燃料管理的頂層設計，明確審評流程

2016年國務院發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出，要加快論證并推動大型商用乏燃料后處理廠建設,集中攻關核電乏燃料后處理技術，為后處理產(chǎn)業(yè)發(fā)展提振了信心，但大型商用后處理廠建設應正視面臨的社會穩(wěn)定和技術、投資、工期等風險。在乏燃料管理方面，我國已制定了相關法律法規(guī)和標準，但乏燃料管理方面還存在對后處理態(tài)度不統(tǒng)一，諸多責任不明確，頂層設計有待進一步完善的問題。我國大型商用乏燃料后處理廠選址和前期決策階段，應盡早梳理審評流程，促進相關法律法規(guī)和頂層設計進一步完善。

2.重視國際合作的接口管理和技術、經(jīng)濟風險管控

大型商用乏燃料后處理廠的設計和建造周期均較長，涉及的技術領域復雜，我國擬采用國際合作的模式建設大型商用乏燃料后處理廠需重點關注各參建單位的管理接口關系；目前國際上大型商用乏燃料后處理技術也在不斷更新完善過程中，缺乏完整定型的工程作為參照，國際合作的前提需明確分工范圍、工藝流程、技術指標及項目采用的法規(guī)標準，并盡量細化外方的供貨范圍及其質(zhì)量保證、性能擔保等。同時國際合作將涉及大量外匯，近年來復雜多變的國際形勢將對利率和匯率帶來較大的不確定性，要提前做好經(jīng)濟風險的防范措施。

3.加強國際合作模式下的知識產(chǎn)權風險識別和研究

世界上科技水平較高的發(fā)達國家均建立了完善的知識產(chǎn)權制度,且不斷提高保護水平和擴大保護范圍，并在知識產(chǎn)權國際事務中強制推行。我國采用國際合作的模式建設乏燃料后處理廠應盡早開展知識產(chǎn)權風險識別、分析和專題研究；對項目設計、設備制造和建設過程中可能遇到的工程技術風險進行專題分析論證。

4.拓展融資渠道，保障項目資金需求

我國已經(jīng)制定了《核電站乏燃料處理處置基金征收使用管理辦法》和《核電站乏燃料處理處置基金項目管理辦法》，為后處理產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了一定的經(jīng)濟基礎。但大型商用乏燃料后處理廠投資巨大，應盡早對乏燃料基金使用規(guī)則、項目資金籌措和運營方式等開展專題分析研究，并根據(jù)項目投資規(guī)模擬定資金籌措方案及相應的經(jīng)營模式。自日本福島事故以后，國際上核電發(fā)展整體處于頹勢，根據(jù)市場供需關系，天然鈾難以維持較高的價格，目前進入下行通道，低于40美元/磅，商用后處理廠建設應結合未來核電市場考慮項目本身的經(jīng)濟性。

5.加大核科普宣傳力度，提升公眾核安全信心

由于公眾缺乏對核能和核安全知識的充分理解，對乏燃料后處理知識更是了解甚少，大型商用乏燃料后處理廠的選址和建設都面臨一定的社會穩(wěn)定風險，獲取當?shù)卣С趾凸娎斫馐潜ＷC乏燃料后處理產(chǎn)業(yè)順利發(fā)展的關鍵因素之一。項目單位需加強核能和乏燃料后處理知識的科普宣傳，提高公眾的參與度，從而獲取公眾的信任和認可，并研究爭取地方政府及公眾對乏燃料后處理項目給予支持的相關措施。

6.增加科研技術儲備，做好風險防范措施

國際上后處理技術、標準和環(huán)境要求在不斷變化，大型商用后處理廠建設周期長達十余年，建設過程將面臨諸多不確定因素和技術、經(jīng)濟風險。以日本六個所800噸鈾/年商用乏燃料后處理廠為例，日本基于某些特殊原因，借以核燃料閉式循環(huán)政策解決鈾資源匱乏問題，并配套發(fā)展后處理技術，逐步建立了完整的核燃料循環(huán)體系，有著較好的后處理技術和人才基礎，同時在國際合作中無技術轉(zhuǎn)讓限制，但六個所后處理廠開工建設至今近30年仍未獲得批準運行，背上了沉重的經(jīng)濟包袱。因此，我國擬采用國際合作建設大型商用乏燃料后處理廠將面臨更多的困難和挑戰(zhàn)，應進一步深入研究制定風險防范措施，并與一次通過循環(huán)處置方式進行對比，不急于上馬。

【參考文獻】

[1]劉華.國外乏燃料后處理概況[J].化學工程與裝備,2012（11）：122-126.

[2]馬敬，劉繼連.田灣核電站乏燃料離堆貯存方案研究[J].科技和產(chǎn)業(yè)，2014(04):149-155.

[3]欒洪衛(wèi)，徐俊峰，景繼強.核電站乏燃料后處理現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢淺析[J].科技信息（學術研究），2008（34）：304-305.

[4]孫學智，羅朝暉.全球乏燃料后處理現(xiàn)狀與分析[J].核安全，2016（2）：13-15.

[5]溫鴻鈞.關于我國核燃料閉合循環(huán)戰(zhàn)略的討論[J].中國核電，2008（2）：168-174.

[6]揚長利.中國核燃料循環(huán)后段[D].北京：中國原子能出版社，2016.

注：原文載于《中國工程咨詢》2018年第9期。本次發(fā)表做了較大改動。