全球乏燃料后处理现状与分析

孙学智，罗朝晖

（环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082）



全球乏燃料后处理现状与分析

孙学智，罗朝晖*

（环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082）

摘要：乏燃料后处理是充分利用铀资源，保障核能可持续发展，保护环境的关键技术之一，国际上有核国家如何对待处理乏燃料，是每个有环保意识，关心核电发展的人关切的问题。本文调研了国内外乏燃料后处理现状，分析了乏燃料后处理面临的问题和挑战，期望理解和重视乏燃料后处理，共同为保护地球，保护环境献计献策。

关键词：核燃料循环；乏燃料后处理；铀转化；铀浓缩

如今，“改善环境质量，推动绿色发展”已成为社会共识，所以调整能源结构，降低碳排放，发展清洁能源核电，是保持经济持续发展和生态环境保护的重大措施之一。同其他工业一样，发展核电，也会在生产运行过程中产生废物，其中，从电站核反应堆堆芯中替换出来的“燃烧”后的燃料棒也就是乏燃料，具有极强的放射性，国际上有核国家如何对待处理，是每个有环保意识，关心核电发展的人非常关心的问题，乏燃料处理做得好不好，直接与我们的环境、健康有着密不可分的关系。

本文对国内外乏燃料处理现状进行了调研和归类整理，分析了乏燃料后处理面临的问题和挑战，提出了加快实现我国中长期后处理发展目标的建议。

1 乏燃料概述

乏燃料（spentfuel），是使用过的，一般由核电站的核反应堆产生的核燃料。在反应堆内，核燃料经过中子轰击发生核反应，经过一段时间把它从堆内卸出，此时的燃料含有大量没有用完的可增殖材料238U或232Th等，因燃料的铀含量降低，无法继续维持核反应，所以叫乏燃料［1］。乏燃料中包含有大量的放射性元素，因此具有放射性，如果不加以妥善处理，会严重影响环境、生态及人类健康。

1. 1 乏燃料处理与核燃料循环

乏燃料处理是核燃料循环环节的后半部分。以反应堆为界燃料循环被分成两大部分，前端包括铀矿开采、矿石加工（选矿、浸出、沉淀等多种工序）、铀的提取精制、转换浓缩、元件制造等步骤，后端包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚分离的后处理以及对放射性废物处理、贮存和处置。

1. 2 乏燃料后处理意义

（1）乏燃料后处理可提高铀资源利用率，解决核燃料资源不足问题

通常，压水堆核电站乏燃料中235U为0. 8% ～1. 3%，比天然235U的含量0. 71%还要高一些［2］。此外，乏燃料中还含有新生的可裂变物质239Pu。通过后处理过程，可回收到可用的铀和钚，再制成二氧化铀（uranium dioxide，UO2）或钚铀氧化物混合燃料（mixed oxide fuel assembl，MOX）用于热堆或快堆使用。据测算，仅铀和钚返回压水堆中使用一项，就可节省天然铀30%左右。

（2）乏燃料后处理的分离-嬗变，可减少核废料量及优化废物管理

在后处理过程中或之后，采用分离-嬗变过程可实现核废物的最小化，降低其放射性毒性。嬗变是指分离下来的长寿命核裂变产物在中子的辐照下，形成低原子量、稳定、短寿命裂变产物的过程。乏燃料若直接进行地质处置，其体积是2m3·tU-1，而经后处理后，需地质处置体积低于0. 5m3·tU-1。地质处置库的装载容量由处置库关闭后其内巷道温度决定，也就是残留在玻璃固化体中的释热核素决定处置库的装载容量。假如以乏燃料直接处置为参照，提高钚、次锕系与高释热核素（90Sr、137Cs）的回收率，可显著提高处置库的装载容量。

（3）乏燃料后处理可去掉长寿命放射性核素，降低废物长期毒性

乏燃料中包含的钚和次锕系元素毒性大、半衰期长，要在地质处置过程中衰变到天然铀矿的水平需要10万年以上，但经后处理与后续分离并嬗变以后，其放射性摄入毒性降到天然铀辐射水平的时间可减至千年以下，有效地降低了乏燃料的长期放射性毒性。

1. 3 乏燃料后处理方式

乏燃料处理方式有三种：一是送往后处理设施从废物中回收其中所含的铀和钚，二是存放在中间贮存设施，三是放入地质处置库进行最终处置。

目前，世界范围内的大多数乏燃料都贮存在其来源地的核电厂。根据所选定的处置路线，最终处置库可能因此接收未经处理的乏燃料，或一般废物，或两者都接收。处置库是用于处置乏燃料等核材料的地下装置，通常位于地面以下数百米深处能够确保放射性核素与生物圈长期隔离的稳定地质构造中。

2 全球乏燃料处理概况

2. 1 两种技术路线

国际上核燃料循环分为闭式核燃料循环和一次通过式核燃料循环两种技术路线。闭式核燃料循环是指回收乏燃料中的铀、钚等易裂变材料以及可以利用的次锕系元素等物质，易裂变材料再加工制造成核燃料组件，其他放射性核素作为废物最终处置；而一次通过式核燃料循环是指将乏燃料作为放射性废物直接最终处置。

目前，采取一次通过式技术路线的国家有瑞典、加拿大、西班牙和美国；采取闭式循环技术路线的国家，有中国、法国、英国、俄罗斯、日本和印度。

事实上，现在世界上的大多数乏燃料并没有采用这两种处理方式，而是处于暂存的状态，分为在堆贮存和离堆贮存两种。据统计，目前全球累计卸出乏燃料约35万吨，其中1/3被后处理，2/3暂存在在堆水池、离堆水池或离堆干式乏燃料贮存设施中，并且以每年1. 05万吨的速度增加，预计到2020年全球乏燃料量将达到44. 5万吨。

2. 2 乏燃料后处理

全世界掌握了乏燃料后处理技术的有9个：法国、俄罗斯、英国、印度、日本、美国、比利时、德国、中国。

法国、英国、印度和俄罗斯正在运营商用后处理厂。法国、英国和俄罗斯还对其它国家的乏燃料进行后处理，目前大多数国际合同已到期，他们主要处理本国的乏燃料。日本以前绝大部分乏燃料运输到欧洲由英、法进行后处理，从2005年起后处理工作全部在国内进行。

法国拥有世界上最大的轻水堆乏燃料后处理能力设施，即由AREVA公司运营的UP2 - 800 和UP3工厂。这两个后处理厂总的运行能力达到1700tU·a-1。

英国两个核燃料后处理厂都在塞拉菲尔德。塞拉菲尔德镁诺克斯燃料后处理厂（B205）处理镁诺克斯核电站产生的乏燃料，处理能力为1500tHM·a-1；塞拉菲尔德的THORP后处理厂处理改进型气冷堆（AGR）和压水堆（PWR）卸出的乏燃料，其处理能力为1200tHM·a-1。

俄罗斯核电站每年卸出的乏燃料约为710 tU，其唯一的后处理厂是由玛雅克化学联合体经营的RT -1厂，处理能力为400 tU·a-1。印度在世界上是第三个建成普雷克斯（PUREX）水法后处理流程（用磷酸三丁酯萃取法从辐照核燃料中回收铀、钚的一种化工过程）的国家，世界上唯一对坎杜堆乏燃料进行后处理的工厂也在印度。目前有三个后处理厂正常运行，最早的特朗贝中试厂处理能力60t·a-1，后建成的塔拉普尔后处理厂（PREFRE 1和PREFRE 3B）主要处理重水堆燃料，处理能力分别是150 t·a-1、200t·a-1。

日本东海村工厂的设计处理能力为270 t·a-1，而其每年仅处理大概10t。该工厂1981年正式运行，迄今为止对日本各电力公司的约1100 t乏燃料进行了后处理。2014年9月，日本原子能开发机构宣布，因要满足新安全标准所需投资过大，决定废弃东海村后处理设施。日本核燃料有限公司（JNFL）拥有并经营六个所村商业后处理厂，该工厂的设计处理能力为800t·a-1，因为福岛核事故的影响，该工厂的正式运营一拖再拖，始终没有成行。

美国后处理研究工作一直很活跃，但时至今日没有商业后处理厂运行。2006年美国提出了全球核能合作伙伴（GNEP）计划，决定恢复包括后处理和快堆在内的核燃料闭式循环方案。然而，尽管21个国家已签署了这份协议，该协议却受到越来越严格的审查。美国国会削减了该项目的资金，能源部也推迟了该计划的实施。

3 我国乏燃料处理现状

3. 1 现状

伴随核电发展，我国后处理事业有了突飞猛进的发展。我国经过多年的实践和探索，全面掌握了后处理工艺、关键设备制造技术，建成动力堆乏燃料后处理中间试验工厂，2010年12月完成热调试，其中乏燃料水池从2003年开始接受大亚湾核电站的乏燃料，至今已成功运行12年；建成乏燃料后处理放化综合实验设施等一批重大设施和装置，作为后处理实验和锕系元素的研发平台，为我国科研能力建设打下了坚实基础；高放地质处置库实验室前期工作取得进展。

另外，中核集团与法国阿海珐于2013年签署了我国大型商业后处理—再循环工厂合作项目，处理厂建成以后，将具备每年可处理800t乏燃料的能力。

3. 2 我国后处理技术的未来发展

（1）中期任务

继续开展中试厂热试验，检验工艺和设备的完备性，完善高放废液处理等配套设施，为形成生产能力打下基础；在现有中试厂的基础上，完善工艺，改进设备，为后处理厂的实际应用做准备。

（2）长远目标

尽快实现后处理MOX快堆的工业应用，争取在2030年实现后处理厂MOX快堆闭路循环商业应用；作为水法后处理功能的完善和提高，适时附加水法高放废液全分离或部分分离，以满足次锕系的分离与嬗变需要；继续开展第四代干法后处理技术研究，建立干法核燃料循环示范设施。

4 分析和建议

乏燃料后处理是核燃料循环后段中最关键的一个环节，是乏燃料最广泛的处理方式。全世界不得不面对这样一个事实，核电站卸出的乏燃料数量在增长，大部分核电站的在堆贮存水池容量已经超负荷，全球正面临如何解决乏燃料的去向问题。

问题的原因是，世界上大多数乏燃料没有及时进行后处理或深地质处置，而是处于长期贮存的状态。为保障核电站的持续安全运行，为乏燃料后处理或深地质处置提供有效缓冲，乏燃料的中间贮存、第三代和第四代后处理技术问题成为当前国际研究的热点和关注的焦点。

我国核电迅速发展，可以预测，乏燃料安全处置问题将要出现。“未雨绸缪”，我们需要从我国核能发展、铀资源的现状出发，完善后处理产业机制，加快后处理人才培养，及时制定相应的核燃料循环产业发展规划，让乏燃料后处理在核能发展中起到变废为宝，变废为少的作用。

参考文献

［1］方锦清.核电解读［Z］.（2011 -05 - 15）［2016 - 03 -28］.百科知识http：/ / www. 360doc. com/ content/12/0902/ 15/9121521_ 233759008. shtml.

［2］峰众.浅谈世界后处理现状和发展趋势［J］.中国核工业，2006（6）：26 -29.

Status of Global Spent Fuel Reprocessing

SUN Xuezhi，LUO Zhaohui*
（Nuclear and Radiation Safety Center，MEP，Beijing 100082，China）

Abstract：Spent fuel reprocessing is one of the key technologies to make full use of uranium resources，ensure the sustainable development of nuclear energy and protectthe environment，how to deal with the spent fuel in other countries that have nuclear power plant is the concern of everyone who has a sense of environmental protection and is concerned about nuclear power development. This paper investigates status of the domestic and international spent fuel reprocessing，analyzes problems and challengesof the spent fuel，expect to understand and pay attention to the nuclear fuel cycle in order to protect the environment and the earth together.

Key words：nuclear fuel cycle；spentfuel reprocessing；uranium conversion；uranium enrichment

中图分类号：TL24

文章标志码：A

文章编号：1672 -5360（2016）02-0013-04

收稿日期：2016-05-26 修回日期：2016-05-31

作者简介：孙学智（1963—），男，吉林辽源人，博士，研究员，现主要从事辐射安全与防护研究工作

*通讯作者：罗朝晖，E-mail：1299596682@ qq. com