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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(shù)路線，擬通過國際合作建設(shè)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(shù)復(fù)雜，工程建設(shè)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(shù)路線均需要建設(shè)深層地質(zhì)存儲庫，我國應(yīng)盡早完成深層地質(zhì)存儲庫的研究、選址和試驗(yàn)驗(yàn)證等工作。

一、國際上乏燃料的普遍處置技術(shù)路線

當(dāng)前，國際上對乏燃料的處置技術(shù)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(yīng)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(shù)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(jìn)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(yīng)堆使用后的乏燃料不再進(jìn)行資源再利用，直接通過整備和處置工藝技術(shù)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(shù)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(shù)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(jìn)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(jìn)行冷卻，用金屬或混凝土作為屏蔽[2]。

核電強(qiáng)國美國一直支持一次通過循環(huán)的乏燃料處置技術(shù)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(dāng)前世界各國公認(rèn)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(jì)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(jìn)行存儲。世界各核監(jiān)管機(jī)構(gòu)已基本達(dá)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(fù)責(zé)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(jìn)建設(shè)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(yàn)驗(yàn)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(shù)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(jī)械和化學(xué)首端、化學(xué)分離、鈾尾端和钚尾端三個部分。機(jī)械首端是將乏燃料組件成束切割成短段，供化學(xué)首端溶解；化學(xué)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(jì)量?；瘜W(xué)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(jìn)行蒸發(fā)濃縮，濃縮后的料液進(jìn)入流化床進(jìn)行脫硝制備氧化鈾產(chǎn)品；钚尾端是將分離出的料液進(jìn)入钚純化與濃縮車間，通過沉淀反應(yīng)、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(shù)路線可實(shí)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(yùn)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(jī)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(shù)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?zé)岫?、快堆使用，?shí)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(shù)可節(jié)省30％左右的天然鈾；如果能實(shí)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(jìn)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(jìn)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(dāng)前國際上后處理的工藝技術(shù)水平，鈾、钚回收率可達(dá)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(jìn)行嬗變，從而進(jìn)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(shù)不成熟

后處理工藝技術(shù)復(fù)雜，工程建設(shè)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，需要在建設(shè)和運(yùn)行過程中不斷積累經(jīng)驗(yàn)。法國阿格后處理廠（UP2-800和UP3運(yùn)行中）、英國THORP后處理廠（運(yùn)行中）、日本六個所后處理廠（在建）在工程實(shí)施和運(yùn)行過程中均遇到了諸多技術(shù)問題。

2.經(jīng)濟(jì)風(fēng)險高

通過乏燃料后處理技術(shù)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(kuò)散的物質(zhì)。實(shí)質(zhì)上，后處理廠就是運(yùn)行、維護(hù)、檢修都需要遠(yuǎn)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(shù)可靠和運(yùn)行安全。

日本六個所后處理廠由法國阿?，m設(shè)計(jì)，年處理能力800噸鈾/年，1993年開始建設(shè)，原定1997年完工，現(xiàn)已推遲24次，2015年初，建設(shè)資金已達(dá)2.14萬億日元（約合210億美元），最新預(yù)計(jì)2021年完工。迄今，近30年建設(shè)期造成六個所后處理廠的總成本（包括運(yùn)營費(fèi)用）預(yù)計(jì)達(dá)到13.9萬億日元（約合1220億美元），建設(shè)期過長導(dǎo)致的后期維修費(fèi)用可能進(jìn)一步推高總成本。

3.增加核電機(jī)組的運(yùn)行成本

當(dāng)前，我國如建設(shè)800噸鈾/年處理能力的大型商用乏燃料后處理廠，保守預(yù)估建設(shè)費(fèi)用至少需要1200億元，按每臺百萬千瓦壓水堆核電機(jī)組年產(chǎn)生乏燃料20-25噸計(jì)算，對應(yīng)處理約24臺核電機(jī)組全生命周期乏燃料產(chǎn)生量，每臺機(jī)組的乏燃料后處理費(fèi)用達(dá)數(shù)十億元，如再加上后處理廠的運(yùn)行費(fèi)用，分?jǐn)偟胶穗姍C(jī)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(shè)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(biāo)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(dá)15000噸，即便中外合作建設(shè)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(shù)路線

80年代初，我國開始開發(fā)民用核電站，當(dāng)時普遍認(rèn)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(jì)劃、國內(nèi)外鈾資源情況及后處理工藝技術(shù)發(fā)展水平、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行充分論證后，明確了“發(fā)展核電必須相應(yīng)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(jìn)核電建設(shè)的發(fā)展方針，按照熱中子反應(yīng)堆-快中子反應(yīng)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(shù)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(jì)算，累計(jì)需要天然鈾約90萬噸。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)的預(yù)測，全球經(jīng)濟(jì)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(shè)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(shè)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(jìn)程；另一方面可以通過項(xiàng)目建設(shè)消化吸收獲得的各種技術(shù)，結(jié)合我國正在開展的后處理示范項(xiàng)目，使我國盡快掌握國際先進(jìn)的后處理技術(shù)，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(shè)計(jì)、關(guān)鍵設(shè)備制造、工程建設(shè)能力等。

六、建立乏燃料后處理體系應(yīng)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(shí)現(xiàn)商運(yùn)的核電機(jī)組47臺，容量約4875萬千瓦，在建核電機(jī)組15臺，容量約1694萬千瓦，在建核電機(jī)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(shí)，努力實(shí)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(shè)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(yùn)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(jiān)持乏燃料后處理技術(shù)的研究，但停滯現(xiàn)有的商用后處理技術(shù)必定有其深層次值得思考的原因。

隨著我國快堆技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，未來將與乏燃料后處理技術(shù)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，且大部分由研究堆和實(shí)驗(yàn)堆積累，尚無法建立商業(yè)模式，商運(yùn)經(jīng)驗(yàn)匱乏。目前，僅俄羅斯、日本、印度和中國有快堆運(yùn)行，法國、英國、美國和德國快堆有關(guān)設(shè)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(jì)或技術(shù)角度考慮，當(dāng)前我國建設(shè)大型商用乏燃料后處理廠面臨較高的風(fēng)險，項(xiàng)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(shè)后處理廠。選擇核燃料閉式循環(huán)或一次通過循環(huán)技術(shù)路線均需要建設(shè)深層地質(zhì)存儲庫，因此，我國當(dāng)前應(yīng)盡早完成深層地質(zhì)存儲庫的研究、選址和試驗(yàn)驗(yàn)證等工作。

七、對我國大型商用乏燃料后處理廠建設(shè)的建議

1.完善乏燃料管理的頂層設(shè)計(jì)，明確審評流程

2016年國務(wù)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(shè),集中攻關(guān)核電乏燃料后處理技術(shù)，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(shè)應(yīng)正視面臨的社會穩(wěn)定和技術(shù)、投資、工期等風(fēng)險。在乏燃料管理方面，我國已制定了相關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，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(zé)任不明確，頂層設(shè)計(jì)有待進(jìn)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(yīng)盡早梳理審評流程，促進(jìn)相關(guān)法律法規(guī)和頂層設(shè)計(jì)進(jìn)一步完善。

2.重視國際合作的接口管理和技術(shù)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險管控

大型商用乏燃料后處理廠的設(shè)計(jì)和建造周期均較長，涉及的技術(shù)領(lǐng)域復(fù)雜，我國擬采用國際合作的模式建設(shè)大型商用乏燃料后處理廠需重點(diǎn)關(guān)注各參建單位的管理接口關(guān)系；目前國際上大型商用乏燃料后處理技術(shù)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(shù)指標(biāo)及項(xiàng)目采用的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，并盡量細(xì)化外方的供貨范圍及其質(zhì)量保證、性能擔(dān)保等。同時國際合作將涉及大量外匯，近年來復(fù)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(jì)風(fēng)險的防范措施。

3.加強(qiáng)國際合作模式下的知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險識別和研究

世界上科技水平較高的發(fā)達(dá)國家均建立了完善的知識產(chǎn)權(quán)制度,且不斷提高保護(hù)水平和擴(kuò)大保護(hù)范圍，并在知識產(chǎn)權(quán)國際事務(wù)中強(qiáng)制推行。我國采用國際合作的模式建設(shè)乏燃料后處理廠應(yīng)盡早開展知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險識別、分析和專題研究；對項(xiàng)目設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和建設(shè)過程中可能遇到的工程技術(shù)風(fēng)險進(jìn)行專題分析論證。

4.拓展融資渠道，保障項(xiàng)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(xiàng)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(jì)基礎(chǔ)。但大型商用乏燃料后處理廠投資巨大，應(yīng)盡早對乏燃料基金使用規(guī)則、項(xiàng)目資金籌措和運(yùn)營方式等開展專題分析研究，并根據(jù)項(xiàng)目投資規(guī)模擬定資金籌措方案及相應(yīng)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(guān)系，天然鈾難以維持較高的價格，目前進(jìn)入下行通道，低于40美元/磅，商用后處理廠建設(shè)應(yīng)結(jié)合未來核電市場考慮項(xiàng)目本身的經(jīng)濟(jì)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(shè)都面臨一定的社會穩(wěn)定風(fēng)險，獲取當(dāng)?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(guān)鍵因素之一。項(xiàng)目單位需加強(qiáng)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(rèn)可，并研究爭取地方政府及公眾對乏燃料后處理項(xiàng)目給予支持的相關(guān)措施。

6.增加科研技術(shù)儲備，做好風(fēng)險防范措施

國際上后處理技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境要求在不斷變化，大型商用后處理廠建設(shè)周期長達(dá)十余年，建設(shè)過程將面臨諸多不確定因素和技術(shù)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)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(shù)，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(shù)和人才基礎(chǔ)，同時在國際合作中無技術(shù)轉(zhuǎn)讓限制，但六個所后處理廠開工建設(shè)至今近30年仍未獲得批準(zhǔn)運(yùn)行，背上了沉重的經(jīng)濟(jì)包袱。因此，我國擬采用國際合作建設(shè)大型商用乏燃料后處理廠將面臨更多的困難和挑戰(zhàn)，應(yīng)進(jìn)一步深入研究制定風(fēng)險防范措施，并與一次通過循環(huán)處置方式進(jìn)行對比，不急于上馬。

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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。