全球乏燃料与高放废物管理现状

2022-05-27陆燕,陈亚君,单琳

国外核新闻 2022年3期

全球32 个国家目前拥有在运核电机组439台，总装机容量为3.92 亿千瓦。全球截至2020年底累计产生约40万吨乏燃料，其中三分之一接受了后处理，另外三分之二处于贮存状态。乏燃料数量目前在以每年约7000 吨的速度增加。乏燃料安全管理直接影响着核电的可持续发展。

1 各国核燃料循环策略

总体而言，世界各国的核燃料循环策略可分为两种，即开式和闭式：前者将乏燃料视为高放废物，直接进行深层地质处置；后者将乏燃料视为一种宝贵资源，对其进行后处理，回收铀和钚，然后用于制造新燃料元件。

在全球核电国家中，俄罗斯、法国、日本和印度一直致力于执行闭式核燃料循环政策，在本国建设了乏燃料后处理厂。美国目前执行开式核燃料循环政策，但拥有小规模后处理能力，并一直积极开展闭式核燃料循环技术研究。美国能源部核能办公室在2021 年初发布的《战略愿景》报告中明确提出，将在各种先进反应堆技术的商业化过程中，持续资助与它们配套的核燃料循环技术研发，并于2030 年对先进反应堆燃料循环进行评价。

英国采取闭式核燃料循环策略，已建成和运营两座商业后处理厂。但目前英国政府并不强制要求对乏燃料进行后处理。

其他核电国家大部分选择了开式核燃料循环策略，如加拿大、德国、芬兰、匈牙利、西班牙、瑞典、瑞士等国。而荷兰、意大利等国虽选择闭式核燃料循环策略，但乏燃料后处理是依靠他国进行。另外一些国家，如比利时、韩国、乌克兰等国则持观望态度，未选定循环策略，待以后决定。

2 乏燃料管理

截至2020 年底，世界各国累计产生了约40万吨乏燃料，且乏燃料数量正在以每年7000 吨的速度增加。在已产生的40 万吨乏燃料中，约12.87万吨已接受后处理，另外约30.13万吨处于贮存状态，等待后续处理或处置。不同的核燃料循环策略，其乏燃料管理要求不同。

2.1 乏燃料贮存

乏燃料在从反应堆卸出后通常需要在核电厂配套的贮存水池中冷却5～8年，使其中的短寿命裂变产物基本衰变完，放射性强度大幅度降低。之后，乏燃料将转移到离堆贮存设施（根据国际原子能机构的定义，在反应堆厂房外的贮存设施均为离堆贮存设施，无论该设施是否位于厂区内）进行中间贮存，以待后续进行后处理或直接深层地质处置。

目前在运核电厂的设计寿期为40～60年，而配套的贮存水池通常只能贮存核电厂在10～20年运行期间产生的乏燃料。因此，无论采取开式还是闭式核燃料循环策略，在将乏燃料送入深层地质处置库处置或进行后处理之前，都需在离堆设施中进行中间贮存。贮存期为几年到几十年不等，主要取决于所采用的核燃料循环策略。

中间贮存方式包括湿法和干法两种。湿法贮存发展较早，通常在厂房内建造水池，将乏燃料放置在水下的贮存格架中，具有技术简单成熟、冷却能力强、贮存密度高等特点，可作为后处理厂的配套设施。干法贮存是将乏燃料放置在空气或惰性气体氛围中，依靠气体对流进行冷却，相比而言，其设施建造费用较高，优点是具有易扩展性、建造工期短、运维简单、费用低。由于全球目前还没有乏燃料最终处置库建成投运，且商业后处理厂的产能有限，采用干法贮存的乏燃料数量越来越多。根据国际原子能机构的数据，干法贮存的乏燃料在总量中的占比已从2013年的24%增加至2016年的30%。

需要注意的是，中间贮存仅是乏燃料的暂时管理方法，并非最终处置方法。随着中间贮存时间的延长，乏燃料安全管理风险会上升，进而会导致核燃料循环总成本增加，甚至会损害各国核能发展的长期利益。

2.2 乏燃料后处理设施

目前，全世界具备后处理能力的国家屈指可数，拥有大规模商业后处理设施的国家包括法国、英国、俄罗斯和日本。印度拥有四座小型后处理设施，美国也拥有一定的后处理能力。

法国拥有最大规模的商业后处理能力。阿格拥有2 座产能均为每年800吨重金属的后处理厂，不仅处理本国乏燃料，还为其他国家提供后处理服务。值得注意的是，法国还实现了后处理技术的出口，帮助日本建设商业后处理厂。

英国在塞拉菲尔德建设并运营了两座商业后处理厂，即产能为每年900吨重金属的索普厂和产能为每年1500吨重金属的镁诺克斯后处理厂。基于经济与安全原因，索普厂2018年停止运行。镁诺克斯后处理厂仅能处理镁诺克斯型反应堆产生的乏燃料，将在处理完库存镁诺克斯乏燃料后关闭。英国目前没有在运镁诺克斯型反应堆。

俄罗斯拥有一座产能为每年400 吨重金属的RT-1 后处理厂，能够处理本国绝大多数反应堆（包括压水堆、研究堆、快堆、舰船核动力堆）乏燃料；正在建设一座后处理示范厂；并积极推进先进后处理技术、快堆技术和新型燃料技术研究，以期建立基于快堆的闭式核燃料循环体系。

日本引进法国技术建设了六所村后处理厂。该厂于1993 年开始施工建设，最初计划于1997 年投运。但由于一系列技术和安全问题，该厂已先后20 多次推迟投运，目前预计将于2022年投运。

美国目前没有商业后处理厂。但萨凡纳河场区H 峡谷拥有一定的后处理能力，曾于2016年开展从研究堆乏燃料提铀的作业。美国一直积极开展后处理技术研发，并在2021年资助阿贡国家实验室和奥克洛公司合作推动先进反应堆燃料再循环技术（采用干法后处理技术）的商业化。

表1 在运和即将投运的乏燃料后处理设施

3 乏燃料和高放废物处置

对于准备直接处置的乏燃料或后处理产生的高放废物，目前国际公认的安全可行的最终处置方式是深层地质处置，即在地下300～1000 米建设具备多重屏障的处置库。

处置库的建设难度很大，需要确保万年的长期安全，面临一系列科学、技术和工程挑战。美国、加拿大、德国、法国、瑞典、瑞士、芬兰、比利时、日本、韩国等国均在积极开展相关研究，迄今累计建设了26 座地下实验室，有力推动了高放废物处置研发进程。

世界范围内尚未建成乏燃料和高放废物地质处置库，芬兰、瑞典和法国已经取得较大进展。芬兰奥尔基洛托乏燃料深层地质处置库是目前全球唯一启动建设的乏燃料和高放废物深层地质处置库，2015年获得建设许可证，2016年底开工建设。开发商波西瓦公司2021年提交该处置库在2024年至2070年底运营的许可证申请。

瑞典处置库建设项目已取得较大进展，瑞典核燃料和废物管理公司2011年向瑞典监管机构提交乏燃料处置库建设申请。该申请于2022年1 月获得瑞典政府批准。法国正在持续推进Cigéo（地质处置工业中心）项目，预计2025年获得建设许可证，2035年处置库开始运营。

20 世纪80 年代至2009 年，美国的工作重点是推进尤卡山最终处置库建设项目。在奥巴马政府终止尤卡山项目后，美国政府2012 年发布《乏燃料与高放废物管理和处置战略》，决定建设一个由中间贮存中试设施、集中式中间贮存设施和地质处置库组成的乏燃料管理系统。美国能源部2021 年在《联邦公报》发布信息征集书，就建立基于共识的乏燃料中间贮存设施选址程序向相关各方征求建议。此举意味着美国政府在2009 年宣布放弃尤卡山项目之后准备重新启动乏燃料管理计划。

俄罗斯于上世纪60年代启动高放废物处置研究工作，已确定叶尼塞为深层地质处置库场址，目前正在建设地下实验室。加拿大、德国和英国等国正在开展选址工作。日本计划2030年选定处置库场址，2040年处置库开始运营。

大多数国家正在制定本国乏燃料管理计划，但多数仍处于早期规划阶段。