我国乏燃料离堆贮存需求分析及技术路线选择

□史惠杰 宋晓鹏 陈 勇 刘继连 马 敬

我国已明确采用核燃料闭式循环政策，即对乏燃料进行后处理，以回收其中的铀、钚等材料再度加以利用。但我国目前的核燃料闭式循环产业体系建设，在处理能力和技术上与主要核强国相比，仍有比较大的差距。因此，在核燃料后端配套成熟以前，大量的乏燃料还需进行暂存。虽然核电站在设计时已考虑一定容量的乏燃料贮存设施，但其贮存能力有限，远不能满足后续乏燃料的贮存需求，大量的乏燃料需考虑进行离堆贮存。

一、乏燃料贮存现状

(一)在堆贮存。当前核电站和研究堆产生的乏燃料的主要贮存方式是在堆贮存。截至2020年底，在运压水堆核电站已累积产生乏燃料约6,200tHM，其中约5,700tHM贮存于在堆水池中，其余已运往离堆贮存设施。

(二)离堆贮存现状。

1.离堆湿法贮存。我国目前已建成的离堆湿法贮存设施贮存能力约1,300tHM，预计到2025年我国可形成离堆湿法贮存能力约4,300tHM。

2.离堆干法贮存。秦山三期核电站离堆干法贮存设施采用MACSTOR-400模块，每个模块可贮存24,000个乏燃料棒束，截至2020年底，秦山三期离堆干法贮存设施已完成6个贮存模块的建设，并完成5个模块的装料。

田湾及大亚湾核电站引进法国的NUHOMS干法贮存技术。田湾核电站规划建设60个干法贮存模块，采用“一次规划、分批建设”的原则，一期工程规划建设37个贮存模块，先期建成10个贮存模块以满足2台机组3年的乏燃料贮存需求，可实现310组(约150tHM)乏燃料组件的干法贮存。2019年9月，10个贮存单元建成，截至2020年底，田湾核电站干法贮存设施已完成7个贮存模块的装料，共贮存217组(约100tHM)乏燃料。

大亚湾核电站干法贮存设施包含27个模块，每个模块可贮存32个乏燃料组件，可实现864组(约400tHM)乏燃料组件的干法贮存。截至2020年底，大亚湾核电站干法贮存设施尚未投入使用。

二、核电站乏燃料离堆贮存需求分析

(一)核电站乏燃料规模预测。截至2021年5月，我国大陆在运核电机组50台，在运装机容量约5,215万千瓦。目前我国投运核电站的反应堆型包括CNP-300、CNP-600、M310及改进型、AP-1000、EPR-1750、HPR-1000、VVER-1000等压水堆机组及CANDU-6重水堆机组；在建的新反应堆型包括VVER-1200、CAP1400、ACP100等压水堆机组。产生的燃料组件类型包括AFA-2G、AFA-3G、VVER-AFA、TVS-2M、TVS-2006、CF3、STEP以及CANDU-6等。

洪哲等人[1]根据我国核电发展规划，分析了核电快速和慢速发展两种情景下我国轻水堆乏燃料累积量及离堆贮存需求。刘敏等人[2]按照每年新开工8台机组的核电发展速度，分析了后处理高、低两种发展情景下压水堆乏燃料的累积量及离堆贮存需求。而对于乏燃料组件类型，它们的产生量、组件外形尺寸、参数等方面存在一定差异，采取的乏燃料管理方式也有所不同。下面对不同类型的乏燃料组件的离堆贮存需求进行分析。

表1 不同堆型换料方式及乏燃料卸料量[3]

2035年乃至2050年前，我国核电站建设仍将以压水堆为主，“华龙一号”和CAP1400具有自主技术应用，是未来我国核电站堆型的主要选择。

未来我国核电站乏燃料规模，按照以下原则进行估算：

假设2026～2030年间每年新增6台1,200MW机组(2026年～2027年各投运2台AES2006堆，其余按华龙一号堆型)，2031年～2050年间每年新增8台1,200MW机组(按华龙一号堆型)。

新建压水堆核电站投入运行后第二年开始卸料，各种堆型换料方式及卸出量表如表1所示。

秦山一期核电站延寿至2041年(寿期50年)，其余核电站按寿期60年计。

从外形尺寸和燃料特性来看，我国核电站产生的乏燃料包括以下几类：一是标准型四边形组件，包括AFA-2G、AFA-3G和CF3组件，CNP650、M310、CPR1000、华龙一号等堆型使用，我国绝大部分压水堆核电站使用这种类型的燃料组件；二是加长型四边形组件，包括AFA-3G LE和RFA-2组件，主要应用在我国EPR1750、AP1000、CAP1400等第三代反应堆中；三是短型四边形组件，主要包括FA300型组件，我国秦山一期核电站使用的组件；四是六边形组件，包括AFA组件、TVS-2M组件和TVS-2006组件，应用于田湾核电站和徐大堡核电站从俄罗斯引进的AES-91机组和AES-2006机组；五是圆柱形棒束组件，应用于秦山三期核电站从加拿大引进的CANDU-6堆型。

根据估算原则，得出2020～2050年我国乏燃料累积产生量如图1所示。

图1 我国核电站乏燃料累积产生量预测

由图1可以看出，预计到2030年，我国压水堆核电站预计累积产生乏燃料约16,000tHM(其中压水堆乏燃料约12,000tHM)；到2040年，我国压水堆核电站预计累积产生乏燃料约54,000tHM(其中压水堆乏燃料约46,000tHM)；到2050年，我国压水堆核电站预计累积产生乏燃料约100,000tHM(其中压水堆乏燃料约90,000tHM)。

(二)离堆贮存需求预测分析。为保证核电站运行安全，乏燃料在堆贮存水池的容量必须至少保证有一个堆芯和三分之一换料的安全裕量。假设压水堆核电站乏燃料在堆冷却满8年后进行外运(重水堆目前不考虑外运)，对乏燃料外运需求量进行预测，数据如图2所示。

图2 我国压水堆核电站乏燃料外运需求量预测

由图2可以看出，我国压水堆核电站产生的乏燃料外运需求量逐年递增，到2030年，我国压水堆核电站乏燃料外运需求量将达到约8,500tHM；到2040年，外运需求量将达到约23,500tHM；到2050年，外运需求量将达到约53,600tHM，约是2040年外运需求量的2.3倍，是2030年外运需求量的6.3倍。

我国在建或后续拟建的后处理设施若均如期投运并在投运后第二年达到满负荷运行，处理对象为国内M310、华龙一号、EPR1750、AP1000等机组的方形组件，则根据各设施的处理能力，预测压水堆乏燃料离堆贮存需求量，如图3所示。

图3 我国压水堆核电站乏燃料离堆贮存需求量预测

由图3的数据中可以看出，到2030年，约有5,900tHM压水堆乏燃料需进行离堆贮存；到2035年，约有9,000tHM压水堆乏燃料需进行离堆贮存；到2050年，压水堆乏燃料离堆贮存需求将达到约20,000tHM，是目前离堆贮存需求量的11.8倍。

三、乏燃料贮存技术路线及选择

(一)乏燃料贮存技术选择主要考虑因素。乏燃料贮存技术的选择是乏燃料贮存项目中的关键一步，技术选择需符合国家乏燃料管理有关的政策目标，错误的决定往往需付出经济、安全、环境等方面的代价。乏燃料贮存技术选择取决于多种因素。

1.拟贮存乏燃料。乏燃料离堆贮存需求及组件类型是离堆贮存首要考虑的因素，相关内容在第二章已论述。

乏燃料特性主要与核燃料在反应堆运行期间发生的变化有关。这些变化包括可裂变核素(如235U)的消耗和数百种裂片元素的生成。这些变化发生的程度取决于燃料的燃耗，即单位质量的燃料所产生的能量(通常以MWd/kgU表示)。乏燃料中放射性核素产生的热量是贮存系统设计中需要考虑的一个重要因素。核电厂一直在增加使用高燃耗燃料，以提高燃料效率，这一趋势可能会增加，并发展到不同类型的燃料。提高燃料的燃耗对贮存方案的选择和贮存系统的设计有很大的影响，因为衰变热随燃耗深度提高而增加，给贮存系统带来了更高的冷却负荷。

2.贮存技术。

(1)湿法贮存。湿法贮存技术是卸出后乏燃料立即贮存的最常见选择，因为它们提供了冷却初期所必需的良好热传导。长期以来，利用水池湿法贮存乏燃料是最主要的贮存方法，不仅用于反应堆场址的临时贮存，还用于后处理厂的离堆贮存。

水池位于抗震合格的混凝土建筑物内。燃料组件被放置在位于池底的贮存格架或吊篮中，可抵御地震事件的位移。水池配备有冷却系统(即泵和热交换器)，通常在40℃或更低温度下运行。为保持良好的水质，设有净化系统。水池需要最佳的池水化学成分，并仔细维护和监测水池结构是否有渗漏。当前的水池通常采用焊接不锈钢板作内衬，并设有检漏和收集系统。据报道，一些先进的乏燃料贮存水池通过使用水下模块化设备冷却和净化池水，在水池上方增加混凝土保护层等措施，可更好地提高运营成本的经济性。

(2)干法贮存。乏燃料组件在水池中经过几年的初始冷却后就可以进行自然冷却的干法贮存。干法贮存方法依靠金属或混凝土来屏蔽乏燃料组件的辐射，而乏燃料组件继续释放相当大的衰变热，必须散发到大气中。干法贮存主要包括四种类型：金属容器贮存、混凝土容器贮存、贮存室贮存和干井贮存。

(3)新式贮存技术。地下垂直通风库：此技术是一种地下垂直通风的模块化干法贮存系统，每个模块贮存一个外包单元，并且相互独立。

双隧道贮存技术：此技术是一种将干井概念与在地质处置设施中钻孔相结合的地下贮存方法，目的是在处置或回收再利用之前进行长期贮存。

紧凑型贮存技术：此技术指在贮存燃料组件时考虑通过对燃料组件进行物理重新排列使其更紧密，以提高贮存密度，通常在湿贮存中考虑。

3.安全性。确保乏燃料贮存的安全是制定离堆贮存设施许可标准的基础。

由于乏燃料在贮存过程中仍有大量衰变热，湿法贮存最大的安全顾虑是乏燃料因水量大幅下降而裸露在空气中，导致包壳剧烈氧化，放射性核素大量释放。因此通常湿法贮存中，池水补水系统和池水冷却系统通常设置为安全级系统，事故工况下可保证水层的屏蔽厚度及池水冷却的正常运行，保证乏燃料衰变热的持续导出，防止池水沸腾。

干法贮存设施的辐射屏蔽及机械热工防护由贮存结构(模块或容器)提供，热量主要通过自然空气对流非能动导出。因此干法贮存设施运行简单，几乎不存在操作任务，检查和检验也很有限。安全性方面，干法设施认为基本上可以抵御大型飞机坠毁等破坏。当发生重大情况下，干法贮存设施所采用的应急措施不如湿法贮存设施的广泛。

4.其他考虑因素。除上述乏燃料贮存的影响因素外，还需考虑以下影响因素：一是贮存设施的场地条件，包括选址、运输、占地等；二是贮存设施的灵活性和适应性，包括可建造性、模块化和易于扩容等；三是贮存设施的运行和维护是否简单，辅助系统设置是否全面，监督和保障是否可靠等；四是贮存设施的经济性，包括寿期成本、运行维护成本、退役费用等。

(二)乏燃料贮存技术路线选择。根据乏燃料组件类型及未来乏燃料产生量等因素，表2列出了几种乏燃料组件的离堆贮存路线的选择建议。

表2 我国乏燃料离堆贮存技术路线选择及建议

四、结语

我国目前正处于核电快速发展时期，核电发展规模逐年增加，核电产生的乏燃料的量也随之增加。文章分析了我国乏燃料离堆贮存的需求量和离堆贮存技术路线的影响因素，对我国未来不同类型乏燃料组件的离堆贮存方式进行了建议，对政策决策者和行业内人士具有一定的参考价值。