4月25日,在习近平主席和奥朗德总统的见证下,中核集团公司董事长孙勤与法国阿海珐集团总裁吴赛正式签署了《中法合作建设大型商业核燃料后处理——再循环工厂项目的合作意向书》。此举揭开了中法核燃料后处理全面合作的新篇章。
日本福岛核事故后,我国核电经过了国家全面安全检查和评估,2012年10月,国务院通过了《核电中长期发展规划》,确认了到2020年核电装机容量“建成5800万千瓦,在建3000万千瓦”的目标,稳妥重启核电建设并承诺“中国将以全球最高安全标准来确保核安全”。后处理作为核工业的一个重要组成部分,也是核强国的重要标志。
一、我国为什么要发展后处理产业
(一)源于中国经济发展对能源的战略需求
根据我国社会与经济发展的情况,我国的能源需求有以下几个特点:一是我国当前的能源结构严重失衡,化石能源比例高达92%,其中煤炭比例高达70%以上。我国核电装机总容量同发达国家相比较有很大的差距,我国的人均电力装机容量仅是发达国家的1/4到1/3,核电装机容量仅占全国装机容量的1.1%。
二是大量使用化石能源导致的环境污染与恶化速度已经对人民的生活和社会发展造成了很大的影响(雾霾、粉煤灰、酸雨等),我国能源结构与发展距低碳能源要求以及建立环境友好社会的差距太大。
三是根据我国经济发展的长远规划和趋势,到2025年,我国因国民经济增长,经济结构转型,国家城镇化,农业现代化等的发展,将会使能源需求在现有基础上增加一倍。
四是中国未来能源需求必定是快速增长的势态,据预测2015年我国电力装机容量将达到约15亿千瓦,年均增长约8.4%。
因此,尽快改变当前的能源结构,大力发展核电是改变当前能源结构、提高能源品质的必由之路。
(二)后处理是核能科学可持续发展的关键
我国核能发展坚持“热堆—快堆—聚变堆”的三步走战略,实施的是核燃料闭式循环路线。核电站乏燃料后处理,则是从热堆(压水堆)对铀资源的一次或两次利用,到通过后处理和快堆将铀资源充分利用的关键技术,是未来裂变核能发展的必然趋势。通过热堆乏燃料后处理,为快堆提供燃料,达到铀资源充分利用;压水堆利用慢中子仅消耗铀-235,而铀-235只占天然铀中0.7%;快堆利用快中子,还可消耗铀资源中占99.3%的铀-238;通过后处理,将核电站乏燃料中的高放射性废物或发展嬗变技术,将管理年限限制在数百年;或玻璃固化,安全管理年限约为万余年。
相关期刊推荐:《中国核工业》(月刊)创刊于1989年,由中国核工业集团公司主办,中国核工业建设集团公司协办,设有:本刊专稿、改革探索、核能论坛、核电建设、核电经济、企业管理、经营发展、政工论苑等投稿栏目。
当前,法国拥有运行的UP2、UP3大型商业后处理厂,曾运行过凤凰与超凤凰快堆;日本的六个所商业后处理厂在法国的帮助下已建成并投入运行,拥有文殊快堆;俄罗斯拥有的RT-1后处理厂也一直在运行,而且在快堆设计和运行方面积累良好的经验;印度在后处理技术和快堆自主研发方面也取得了很好的发展。
(三)我国核电站乏燃料后处理技术发展现状
后处理技术经过了60多年的发展,从世界上先后建成并运行数十座后处理厂经验来看,以PUREX流程为基础的后处理技术是安全可靠的,其经济性是可以接受的。后处理技术与核电技术一样,也在不断地进行改进和优化,主要的发展方向是能处理高燃耗乏燃料、提高铀钚回收率、减少废物量和防止核扩散等问题,以及开发更适合处理快堆乏燃料的干法处理技术。
目前世界上正在运行后处理设施的国家都是核电大国,法国拥有年后处理能为1700吨的UP2-800和UP3厂;英国拥有年后处理能为900吨的压水堆乏燃料以及1500吨的石墨气冷堆镁诺克斯乏燃料的两座后处理厂;日本拥有年后处理能为800吨的六个所厂以及200吨的东海村厂;印度拥有年总后处理能为550吨的数个后处理厂;俄罗斯拥有年后处理能为400吨的RT-1厂,正在为建设大型商业后处理厂开展工程试验工作。目前法国的后处理与再循环工业是世界上最为成熟和运行业绩最好的。
二、我国为什么要尽快发展后处理产业的紧迫性
(一)发展核电站乏燃料后处理的客观形势
到2020年,如果我国核电站装机容量达到5800万千瓦,则每年的乏燃料卸料量就达到1300~1400吨;到2025年,如果我国核电站装机容量达到8800万千瓦,则年卸料量约为2000吨。通常核电站的寿期是40~60年,乏燃料在堆贮存时间一般是5~20年。因此,乏燃料管理的集中贮存、统一管理是必须的战略管理,是长期安全管理的保障,是实现核燃料闭式循环的必然要求。
及早实现核电站乏燃料后处理,不但能大大提高乏燃料长期监管的安全性,而且使快堆发展成为可能,使铀资源得以充分利用。让核能具有更清洁、更健康的可持续发展能力。可以充分保证和发挥铀资源的能源战略储备作用。
煤和石油的运输与储备都要消耗及占用大量的运输能力和储备空间;而且这类资源的利用具有十分强烈的时效性。相对而言,铀资源在这方面所占用的资源则比较少。一座装机容量在100万千瓦的核电站,每年的天然铀采购量仅约为200吨,在其加工期间,可为压水堆核电贮备3年的燃料;可为快堆发电至少储备30年的燃料,因此其对能源保障的战略意义是十分明显的。
(二)发展核电站乏燃料后处理的时间和条件
按照2030~2050年我国电力装机容量预计达到25亿千瓦,核电比例以目前世界平均值16%计算,则核电的装机容量将达到是4亿千瓦。据此测算,要在有限的时间里仅仅依靠压水堆核电站建设规模则很难达到上述比例,而继续发展核能,取决于以下因素:(1)铀资源保障;(2)乏燃料安全管理;(3)快堆技术发展;(4)公众许可。
因此,要实现核电的大规模发展和对能源结构的优化,在发展压水堆的同时还需要考虑:用15年时间完成压水堆燃料后处理商业化进程;用20年完成快堆、快堆燃料循环示范工程研究;用20~30年完成快堆及其燃料自循环(干法后处理)示范工程研究。
目前我国自主研发的实验快堆已经投入运行,快堆示范项目即将启动,预计到2035年前后快堆将会逐步实现商业化运行。因此。从时间上看,这些研究的任务和需求都是十分紧迫的,必须现在开始就要重视后处理产业发展趋势和项目建设进度之间的协调一致。
(三)乏燃料后处理技术的安全性
从世界各国已建成的数十座各类后处理厂运行的业绩来看,后处理的技术是可行的而且是安全可靠的。尽管乏燃料后处理设施操作对象是乏燃料,工程设计技术复杂,但工艺上基本是化工流程,具有以下特点:工艺系统无高温高压设备,在次临界状态下运行;参照核电站的选址、设计、建造的严格要求;以后处理厂发生最严重事故分析,按照国际原子能机构核事故分级,其严重等级不超过4/7级,事故应急范围不超过后处理厂主工艺厂区。
(四)后处理各种路线的经济性分析
一次通过
“一次通过”,即核电站乏燃料从核电站卸下,贮存一段时间,经过特殊的包装,直接进入地质处置库处置。该技术路线不足之处是:一、放弃对占99.3%的铀资源的使用;二、苛刻的包装技术和处置技术要使乏燃料中的高放射性物质被封闭在处置库内十几万年。
虽然一次通过在经济、技术和操作上来看相对简便;但放弃铀资源的使用和若要按照目前对其地质处置的要求,则要通过长达十几万年的监管来避免对环境的危害,这种代价和影响在短期内是难以估量的。即使是美国也没有最终确定实施深地层处置的方案。
压水堆再循环
通过后处理回收可再利用的铀钚资源,在目前的技术条件下,在压水堆内进行再循环,仅能将铀资源的利用率提高到1%,既没有很好的利用铀资源,也没有降低多少放射性废物安全管理的压力,只是能看作是快堆发展速度降低时的权宜之计。
快堆及其燃料循环
作为核能三步走的第二阶段,快堆是目前最具有商业应用前景的技术之一。通过快堆和后处理,可以大大提高铀资源的综合利用率,可以大大降低高放射性废物体积,缩短其安全管理年限。快堆的商业化是实现后处理及核电可持续的保证。——论文作者:■薛维明
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