浅谈核电厂乏燃料

李若瑜

摘要：核能是一种安全清洁能源，但是核电厂产生的乏燃料对核电厂的安全性存在着威胁，如何对待以及处理乏燃料是各有核国家必须面对的问题。本文对乏燃料处理方式以及我国乏燃料管理现状进行讨论，提出了目前存在的问题和对未来的展望。

一、引言

核能是一种低碳、高效、安全的清洁能源，核电厂乏燃料的后处理对优化我国能源结构具有重要意义。核电厂的动力核心反应堆，是乏燃料产生的地方，在反应堆中运行一段时间后卸下来的燃料元件称作乏燃料。乏燃料其中96%是有用核材料（94.5%铀238，0.8%铀235，0.8%钚239），真正的核废料只占4%左右。

二、乏燃料处理方式

目前国际上对于乏燃料处理有一次通过和后处理闭式循环两种方式。一次通过方式也叫开式燃料循环方式，其处理过程简单，将卸出的乏燃料不经处理直接包装，然后放置到地质条件合适的处置点进行长期贮存，不再循环利用。该方式在铀价较低的情况下更经济，利于防止核扩散。由于乏燃料仍具较大的放射性，要使其放射性衰减至天然铀矿的水平需存放几十万年[2]，所以一次通过方式的后续处理环节还存在较大的工程和技术难度，而且漫长的存放时间会带来许多不确定因素，对环境安全存在长期威胁。使用该方式的代表国家有西班牙、芬兰、瑞典等。

后处理闭式循环是将乏燃料中约95%的铀和1%的钚分离出来再次利用，将剩余约4%的真正核废料进行深地质处置，或分离嬗变后再进行处置[2]。代表国有法国、日本、俄罗斯等。我国在20世纪80年代便确立了“热堆-快堆-聚变堆”三步走核能发展战略和“中试规模-示范规模-工业规模”的乏燃料后处理产业发展路线，并坚持乏燃料后处理的国策。一般压水堆核电厂铀资源的利用率很低，如果将后处理后的铀在压水堆中再循环利用一次，即可节约25%的天然铀，如果把后处理得到的贫铀用于快堆，铀利用率可提高到60%-70%[1]，铀资源的利用率提高了几十倍。另一方面，高放废物的体积大幅减少，可减小贮存压力。乏燃料后处理存在很大优势，理想的多次闭式燃料循环可大大减低人们对天然铀的依赖。

当然也有一部分国家如阿根廷、韩国、巴西等选择“等等看”，它们对乏燃料处理还没有明确的决策，需根据研究进展延后处理。

三、乏燃料后处理环节

由于反应堆卸出的乏燃料具有很高的释热量和放射性，在乏燃料水池中储存至少5年后才能运输到容量较大的离堆暂存设施中。因此乏燃料后处理涉及的贮存、运输、后处理、高放废物深地质处置等环节的安全管理也至关重要。

乏燃料贮存

乏燃料贮存方式有湿法贮存和干法贮存两种。乏燃料从反应堆卸载出来后，首先应贮存在核电厂配套的乏燃料水池中，乏燃料水池中的水可以吸收大量的释热量。但是由于乏燃料后处理能力远小于乏燃料产生速率，乏燃料水池只能暂时贮存，所以乏燃料离堆贮存是我们应必须重视的环节。乏燃料冷却到一定程度后需移出乏燃料水池，在最终方案确定前，放入湿法中间贮存设备或干式贮存桶进行长期贮存。国际上乏燃料湿法贮存和干法贮存技术都比较成熟。乏燃料从反应堆卸出后到开展其他中间贮存方式的最佳选择是湿法贮存;而从长时间暂存、安全性、经济性、建造及运行维护便利性等方面来看干法贮存更具优势[2]。目前我国主要以湿法贮存为主，虽然正在开展干法贮存相关实践和工作，但其建设水平还有待进一步加强。

乏燃料运输

乏燃料运输是乏燃料处理不可缺失的一部分，连接着乏燃料贮存设施、后处理厂和高放废物深地质处置库。目前我国核电厂主要分布在东南沿海地区，而乏燃料处理厂位于西北深内陆地区。加上十三五期间全国核电厂所需外运的乏燃料總数将超过3000组，约为十二五期间的5倍多，这使得乏燃料的运输需求急剧增加。当前乏燃料公路，铁路，海路的多式联运体系，正紧锣密鼓地推进，这将为未来我国核电厂乏燃料的大规模运输提供更为经济、高效的运输保障。

乏燃料后处理

乏燃料运输到后处理厂之后，先进行乏燃料元件外壳的切割去除，由于乏燃料的放射性非常高，远距切割装置能有效地解决在后处理厂中操作人员安全性的问题，其切割过程的主要步骤是先利用视频系统调整支撑臂的位置，然后用夹紧模块夹住目标结构，接着启动金刚石线锯切割，切割后的乏燃料进行湿法处理，其被硝酸溶液溶解后进行下一步流程。

目前乏燃料的后处理工艺，主要分为湿法处理和干法处理。简单来说，就是一个在溶液中进行提取，一个在高温无水环境下进行处理，商用较多的是PUREX流程，其工艺是湿法处理。在乏燃料后处理上，中国政府建立了核电厂乏燃料处理处置基金制度，并设立乏燃料后处理科研专项，尽可能地让乏燃料后处理工作全面提速。[3]

高放废物深地质处置

乏燃料后处理所产生的废液及其固化体以及不进行后处理直接处置的乏燃料元件，放射性活度浓度高、释热量大、毒性大，含有长半衰期核素，其潜在危害持续时间达百万年之久，称为高放废物。高放废物通过玻璃固化，采用玻璃固化体加废物罐加缓冲材料的三重工程屏障，使其有效阻水并防止核素迁移。处理后的高放废物被处置在地质合适的处置点，使其与人类的生存环境隔离。

关于高放废物安全处置问题，我国明确了“选址、地下实验、处置库建造”三步走战略，提出2050年最终建成高放废物处置库的目标。

四、我国乏燃料处理现状

多个完全自主知识产权的第三代核电的成功研发，意味着我国核电技术水平已经成熟，与之相应的核循环后端即乏燃料后处理技术却不能与之匹配，核电的建设和发展需配套的核燃料循环设施来支持，因此后处理能力建设的滞后成为制约我国核电发展的重大因素。与后处理相关的高放废物玻璃固化，远程维修和自动控制方面，我国技术能力也有待提高，剪切机、溶解器、钚尾端等设备也需完善。

我国已建的离堆乏燃料湿法贮存水池无法满足离堆贮存需求，到2030年，全国各核电厂卸出的乏燃料累计将达到23500吨，离堆贮存需求达到15000吨以上[4]。大部分乏燃料只能暂存于核电厂配套的在堆贮存水池中，像秦山、田湾、大亚湾等已经运行多年核电厂的在堆水池剩余贮存量即将无法满足贮存需求。干法后处理技术与美国、日本、韩国等国家还有较大差距。乏燃料离堆贮存能力的短缺可能会给乏燃料管理带来风险和威胁。

我国核电现状，如机型众多，乏燃料品种多样，核电厂布局零散等，使得乏燃料的运输面临许多困难。而运输相关的法律法规体系和事故应急体系也有待完善。

五、展望

乏燃料离堆贮存能力是核电能否长期安全发展的重要环节。基于干法贮存有安全可靠性、场址获得性、灵活性，经济性、建设周期短及运行维护便利性等优点，应以乏燃料长期安全贮存为目的，加快乏燃料干法贮存能力建设，加快湿法和干法相结合的贮存技术建设，以此来保障乏燃料长期的安全管理和核电的稳定运行。

我国是世界上在建核电机组数和在运行核电机组数都位居前茅的核电大国，我国核电发展水平不断提高，正逐步迈向核电强国的行列。在核电发展的同时，应保持乏燃料处理技术的跟进，要加强后处理能力及产业的建设，希望未来不久，我国乏燃料后处理能力不仅能解决我国自身需求，也可以为我国核电出口提供强有力的技术保障。

参考文献：

[1]刘敏，石安琪，李志华，石磊，张红林，李林蔚，王鹏飞.走进核电厂乏燃料.

[2]刘超，刘晓剑，廖琳，潘亚兰，何兴波，张连胜.核电厂乏燃料湿法与干法贮存技术对比研究及相关对策建议.

[3]张健华.促进中国核能可持续发展，共创世界核能发展美好未来.

[4]沈洁锋.浅谈我国乏燃料管理现状.

南华大学 湖南省衡阳市 421001