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

2020-09-07刘晓剑潘亚兰何兴波张连胜

核科学与工程 2020年3期

刘超，刘晓剑，廖琳，潘亚兰，何兴波，张连胜

(中广核铀业发展有限公司，北京 100029)

目前国际上乏燃料处理方式主要包括一次通过方式和后处理闭式循环方式。一次通过方式处理过程比较简单，即乏燃料卸出反应堆之后不经过后处理直接包装放至深地质处置库中长期贮存，不再循环利用。由于乏燃料中含有大量未裂变核素、新生成的易裂变核素、未用完的可裂变核素、裂变产物和超铀元素，一般要存放几十万年才能使其放射性衰减至天然铀矿相当的水平，因此一次通过方式在后续处理环节存在较大的工程和技术难度，另外世界上尚没有一个国家建成并运行深地质处置库。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，剩下约4%的裂变产物和次锕系元素固化后进行深地质处置，或分离嬗变后再进行处置。乏燃料后处理是一项敏感技术，技术门槛和费用都极高，目前只有少数国家掌握乏燃料后处理技术。由于世界上尚未建成可运行的乏燃料地质处置库，而乏燃料后处理能力远小于乏燃料产生速率，因此无论是一次通过式还是后处理闭式循环式，乏燃料离堆贮存都是必要环节，离堆贮存对于保障核电的安全稳定运行及乏燃料安全管理具有重要意义。

截至2018年年底，全球在运核电机组454台，装机容量超过4亿千瓦，在建核电机组54台，装机容量5501万千瓦。截至2015年年底，全球累积产生约40万tHM乏燃料，并且以每年1.05万tHM的速度递增，预计到2020年全球将累积产生44.5万tHM乏燃料。目前全世界相当一部分核电厂运行时间已超过20年，产生的乏燃料数量都已经接近或超过核电厂在堆贮存水池容量，普遍面临着乏燃料离堆贮存的问题。

截至2018年年底，我国在运核电机组44台，装机容量4 464万千瓦，在建核电机组13台，装机容量1 403万千瓦。根据我国核电发展规划，到2020年，我国大陆在运核电装机容量可达5 800万千瓦，在建3 000万千瓦；到2025年在运核电装机容量将达9 000万千瓦，2030年在运核电装机容量将达1.3亿千瓦。2020年我国核电厂累积产生乏燃料将达到7 000 tHM，2030年将达到27 000 tHM，而我国目前乏燃料离堆贮存能力不足1 300 tHM。相对核电厂快速增长的乏燃料产生量，目前我国乏燃料离堆贮存能力严重不足，成为制约我国核电安全稳定发展的因素之一[1,2]。

本文通过调研主要核电国家核电厂乏燃料离堆贮存现状，分析近年来核电厂乏燃料离堆贮存技术的发展现状和趋势，研究并比较湿法贮存和干法贮存两种乏燃料贮存技术的主要特点及差异，结合我国目前乏燃料离堆贮存现状，对我国未来核电厂乏燃料贮存技术路线提出有益的思考与探索。

1 国际乏燃料离堆贮存情况[3,4]

1.1 美国[5-8]

美国核燃料循环政策实行“一次通过式”，对乏燃料采取先集中贮存后深地质处置，不实行乏燃料后处理。美国1970 年启动乏燃料与高放废物地质处置库的选址工作，1987 年确定内华达州的尤卡山为候选场址，由于当地民众反对于2010 年终止。2013 年1月，美国政府发布《乏燃料与高放废物管理与处置策略》，2017 年1 月发布《乏燃料贮存或处置设施选址程序》草案，计划到2021 年建立一座试验性中间贮存设施，2025年建立一个较大型中间贮存设施；2048年建立一个核废物地质处置库。在2048年核废物地质处置库建成之前，美国将建设不同规模的乏燃料中间贮存设施，以实现对乏燃料的长期集中贮存。2016年、2017年美国核管会已分别收到在得克萨斯州安德鲁斯和新墨西哥州建造乏燃料中间贮存设施的申请。

为解决部分核电厂在集中贮存设施建成之前的乏燃料贮存紧迫性问题，美国政府与各核电厂经过长期沟通协商，采取在核电厂建设临时干法贮存设施，以此作为集中贮存设施建成前的应急方案。目前美国核电厂卸出的乏燃料中，约70%在核电厂内湿法贮存，其余在核电厂的干法贮存设施中贮存。

1.2 法国[9]

法国实行核燃料闭式循环路线，对乏燃料进行后处理，后处理回收的钚制成MOX燃料用于快堆和压水堆。截至2018年年底，法国乏燃料产生量超过46 000 tHM，并且每年新产生约1 200 tHM。乏燃料除了在核电站水池在堆贮存外，其余主要在La Hague后处理设施的C、D、E和NPH乏燃料水池进行集中贮存，如表1所示。

表1 La Hague后处理厂的乏燃料贮存能力Table 1 Storage capacity of La Hague reprocessing plant

1.3 英国

英国实行核燃料闭式循环路线，对乏燃料实行后处理，建设并运行两座乏燃料后处理厂，Magnox 后处理厂(1 500 tHM/a)和Thorp 后处理厂(1 200 tHM/a)。截至2014 年年底，英国核电厂累积产生乏燃料约为11 450 tHM，截至2016年年底，需长期贮存的乏燃料为7 000 tHM。英国乏燃料贮存采用湿法贮存和干法贮存两种技术，最大的湿法贮存设施为塞拉菲尔德场址的乏燃料水池，容量7 600 tHM。英国在威尔法核电厂建有一座Magnox离堆地下干法贮存设施，贮存能力700 tHM。2013 年，英国开始建设塞兹韦尔B核电厂干法贮存设施，2016 年开始运行。

1.4 俄罗斯

俄罗斯采用核燃料闭式循环政策，实行乏燃料后处理。截至2018年年底，俄罗斯核电厂乏燃料产生量超过25 000 tHM，每年新产生乏燃料约880 tHM。俄罗斯乏燃料离堆贮存设施包括：(1)玛雅克化学联合企业的RT-1后处理厂配套的乏燃料贮存水池，容量为9 000 tHM；(2)开采化工联合工企业(MCC)的RT-2后处理配套的乏燃料贮存水池，贮存容量为8 400 tHM；(3)开采化工联合工企业(MCC)的INFDSF-2乏燃料集中干法贮存设施，用于RBMK-1 000、VVER-1000 堆型的乏燃料集中贮存，一、二期工程贮存容量分别为8 600 tHM和30 000 tHM，目前均已建成投运。

1.5 日本[10]

日本实行核燃料闭式循环政策，对乏燃料实行后处理。截至2018年年底，日本核电厂产生的乏燃料约为30 000 tHM，每年产生乏燃料约1 000 tHM。日本核电厂乏燃料通常在堆冷却一段时间后，一部分运往法国和英国的后处理厂进行后处理，一部分运往日本的东海村或六所村后处理厂配套乏燃料水池进行集中贮存。日本核电厂在堆乏燃料贮存量已超过14 000 tHM，多个核电站在堆水池容量告急。东海村(容量140 tHM)和六所村后处理厂(容量3 000 tHM)配套乏燃料水池均已满容。目前日本正在陆奥市建造一座集中离堆干法贮存设施，贮存能力5 000 tHM。根据有关协议，陆奥干法贮存设施内的乏燃料50 年内需全部转移至后处理厂。

2 乏燃料离堆贮存技术研究

目前国际上乏燃料离堆贮存技术主要分为两大类：湿法贮存和干法贮存。这两类技术都是成熟、安全的乏燃料贮存技术，在国际上均有着广泛应用[11-13]。

2.1 乏燃料湿法贮存[14]

湿法贮存是指将乏燃料贮存在建筑物水池中，通过循环冷却系统驱动含硼水带出乏燃料余热、维持次临界并提供辐射防护(见图1)。乏燃料湿法贮存是一门成熟的技术，因为水具有良好的导热性，屏蔽性和透明性，可以在直视条件下完成乏燃料在水池中的卸料、转运等，但湿法贮存需要持续不间断的提供外部能量驱动。

乏燃料湿法贮存水池格架早期采用宽松阵列方式，现在大多采用密集格架式。早期乏燃料贮存格架或吊篮系统典型贮存密度约为2.5 t/m2，对于采用特种钢中子吸收剂的贮存格架，压水堆双层格架贮存密度可达到3.9 t/m2，沸水堆双层格架贮存密度可达到4.7 t/m2。对于使用硼吸收剂的贮存格架，压水堆双层格架贮存密度可达5.2 t/m2，沸水堆双层格架贮存密度可达5.8 t/m2。

图1 乏燃料湿法贮存Fig.1 Spent fuel wet storage

卸料一周的乏燃料释热率可达100 kW/tHM，失去冷却水的条件下，乏燃料组件1小时内可升温至约600 ℃，组件内部He气和其它裂变气体压力足以使锆包壳破裂，造成裂变产物泄漏；若组件温度达到900 ℃，则可能引起锆包壳在空气中燃烧。乏燃料组件的几何尺寸、乏燃料水池中格架结构等对于乏燃料热量导出有很大影响，在发生地震或者有容器坠入水池等情况时，乏燃料热量导出将会发生变化，严重时可能导致燃料组件的变形和破损泄漏。因此，乏燃料湿法贮存对外部工程措施和能量驱动有着较高的要求，湿法贮存水温一般控制在40 ℃ 以下，水池水面高过乏燃料7～9 m。

2.2 乏燃料干法贮存[15-17]

乏燃料干法贮存是将乏燃料贮存在乏燃料干法贮存设施中(由金属内胆和金属容器/混凝土容器共同组成的封闭建筑)，通过空气自然循环带走乏燃料余热。乏燃料干法贮存采取非能动安全设计，不需要外部能源驱动。干法贮存技术发展至今已有约三十年历史，根据《乏燃料贮存和运输容器的运行维护》(Operation and maintenance of spent fuel storage and transportation casks，IAEA TECDOC 1532)，国际乏燃料干法贮存技术大致可分为五种类型：混凝土筒仓式、混凝土卧式模块式、金属容器式、贮存库式和干井式(见图2～图5)。在干法贮存技术应用早期，干法贮存容器仅具有单一贮存功能，不具备运输功能。随着干法贮存技术发展，干法贮存设施逐步发展成具有贮存/运输双功能的集成系统。目前国际上应用较广泛的压水堆干法贮存设施主要有三种：金属容器式、混凝土筒仓式和混凝土卧式模块式。典型的混凝土干法贮存容器设计采用双层结构，两层之间有保持一定间隙。内层为金属密封容器，容器内部有金属格架来固定乏燃料；外层采用厚混凝土来屏蔽乏燃料的放射性。外层混凝土容器上下部分有通风口，采用两层间隙内的空气自然循环带走内层乏燃料释放的衰变热。贮存容器可以露天存放，也存放在厂房内。近三十年来，国际上主要核电国家在探索乏燃料干法贮存技术，通过建设干法贮存设施，扩充核电站乏燃料贮存容量，加强乏燃料中间贮存应急能力建设。

图2 混凝土卧式模块式干法贮存设施Fig.2 Dry storage horizontal concrete module

图3 混凝土立式筒仓式干法贮存设施Fig.3 Dry storage vertical concrete silo

图4 金属容器式干法贮存设施Fig.4 Dry storage vertical metal silo

图5 贮存室式干法贮存设施Fig.5 Dry storage vaults

2.3 湿法贮存与干法贮存技术对比研究[4,18-20]

2.3.1 湿法贮存与干法贮存技术综合对比

将乏燃料湿法贮存和干法贮存从密封性、辐射屏蔽、临界安全、传热性、操作、运行、工期、经济性等方面进行了综合对比，详情如表2所示。

表2 乏燃料湿法和干法贮存技术对比Table 2 Comparison of fuel wet and dry storage technologies

2.3.2 湿法贮存与干法贮存优劣性分析

(1) 技术可行性

从技术可行性上来讲，湿法贮存和干法贮存都是成熟、可行的技术。湿法贮存在世界上有着广泛应用，早期核电站对产生的乏燃料采用湿法贮存，格架密集改造更是将湿法贮存的应用推向新高度。乏燃料干法贮存于1986年在美国颁发第一张许可证，经过三十多年发展，干法贮存技术在全世界得到广泛应用。

(2) 安全可靠性

干法贮存技术采用非能动安全设计，通过空气自然循环导出乏燃料热量，确保贮存期间乏燃料组件和干法贮存设施的温度低于设计限值。干法贮存设施拥有足够的结构强度，在遭受自然或人为事故时仍能保持结构完整性，从而确保设施安全。目前全世界在运百余座干法贮存设施，在三十多年的运行历史中，未曾见过发生过安全事故的报道。

湿法贮存将乏燃料长期存置于乏燃料水池中，通过循环冷却水对乏燃料进行冷却和屏蔽，其安全性一定程度上依赖外部的能量驱动系统，一旦乏燃料冷却系统出现问题，将可能造成严重后果。在抗超基准事故和恐怖袭击能力方面，干法贮存优于湿法贮存。

(3) 工程经验

目前全球400多座核电厂都配备有乏燃料贮存水池，同时有超过100座干法贮存设施，干法贮存和湿法贮存设施都有着丰富的工程建设及运行经验。

(4) 工期竞争性

湿法贮存设施从工程设计、设备采购、建设安装以及系统调试全过程，其工程建设周期一般需要3～5年的时间。湿法贮存设施工程建设难点主要包括：水池、泵房、海工等工程量大，土石方爆破、负挖难度大，工艺系统复杂，需考虑与电厂的水/电/气接驳，工程扩建难度较大等。

干法贮存设施从工程设计、容器采购、建设安装到调试全过程工期约为3年，其工程建设特点包括：干法贮存设施拥有独立厂房，对电厂安全运行影响小，建设工期相对较短，共用电厂基础设施，可进行模块化扩建，具有短平快等特征。从工期竞争性角度，干法贮存略优于湿法贮存。

(5) 电厂接驳独立性

湿法贮存设施一般在电厂现有厂房内建设，其水、电、气等直接与电厂接驳，对于电厂原有系统依赖性较大。干法贮存设施独立于电厂现有厂房，仅与电厂共用基础设施，具有一定的独立性。在电厂接驳独立性方面，干法贮存略优于湿法贮存。

(6) 运行维护便利性

湿法贮存主要依靠乏燃料水池中的循环冷却水连续导出衰变热、屏蔽放射性，需要连续监测乏燃料水池的水位和硼浓度，需要充分考虑主工艺系统(冷却、水位监测等系统)和配套辅助系统(通风、电气和辐射监测等系统)的冗余性、多样性和可靠性，从而保障乏燃料贮存安全，运行维护相对复杂。

干法贮存采用非能动安全设计，依靠空气自然循环散热，冷却系统无需外部电源支持。干法贮存容器本身能提供良好的辐射屏蔽，乏燃料贮存时可通过配置的监测仪表进行放射性和温度监测，运行维护较为便利。在设施运行维护便利性方面，干法贮存优于湿法贮存。

(7) 经济竞争性

根据美国与日本燃料循环专家编写的《乏燃料中间贮存》(Interim storage of spent fuel)，以5 000 tU规模计，干法贮存总成本约为湿式贮存的54%，具体的经济性分析如表3所示。

表3 5000 tU规模下湿法和干法贮存的经济性分析Table 3 Economic Analysis of Wet and Dry Storage at 5000 tU Scale

不同规模水平下，湿法贮存和干法贮存经济性对比如图6所示，由图6可知：在3 000 tU、5 000 tU、10 000 tU规模水平下，由于规模效应，湿法贮存经济性不断优化，但是始终不如干法贮存。

图6 不同规模水平下的湿法和干法贮存的经济性情况Fig.6 Economics of wet and drystorage at different scales

3 我国乏燃料离堆贮存技术路线分析

我国是世界上目前在建核电机组第一，在运核电机组第三的核电大国，乏燃料离堆贮存是我国核电长期安全可持续发展必不可少的重要环节，离堆贮存能力的规划布局和加快实施，是我国核电发展必然面临的一个重要问题。目前，我国乏燃料离堆贮存主要以湿法贮存为主，同时也在同步开展干法贮存相关实践和工作。为更好推动我国乏燃料离堆贮存的技术发展和能力建设，确保核电安全稳定运行和持续发展，笔者在此就我国乏燃料离堆贮存技术路线的优化选择和统筹布局进行初步分析，提出部分发展思路和建议，以期抛砖引玉。

3.1 坚持远期与近期需求相结合

我国乏燃料离堆贮存规划既要立足于长远发展，又要解决当前面临的实际问题。近期要尽快完善乏燃料管理的技术政策，加快乏燃料中间贮存能力建设，丰富我国乏燃料中间贮存技术手段，尤其是针对乏燃料离堆贮存需求非常紧迫的核电站，应以试点的方式加快开展乏燃料中间贮存设施建设。未来较长一段时间内，重点根据我国乏燃料管理的顶层设计和中长期规划，系统研究乏燃料离堆贮存管理的立法、政策和技术路线的统筹完善，制定乏燃料离堆贮存战略规划并推动实施。

3.2 坚持整体性、全局性与局部需求相结合

根据我国乏燃料离堆贮存需求，从整体性、系统性和核燃料循环全产业链角度出发，综合乏燃料管理工作的可操作性、安全性和经济性，推进乏燃料离堆贮存，实现行业整体性发展。在乏燃料离堆贮存战略制定过程中，要站在国家层面进行通盘考虑和顶层设计，实现乏燃料离堆贮存能力的长远发展和整体提升，同时也应适当考虑局部核电站近期的迫切离堆需求，形成应急缓冲能力和方法，以整体保障我国核电的安全稳定运行和可持续发展。

3.3 加快湿法和干法相结合、集中和分散相结合的乏燃料中间贮存能力建设

乏燃料中间贮存作为一种重要的缓冲方式，可以有效降低乏燃料后处理压力，保障核电站安全运行和乏燃料安全管理，确保我国核燃料循环战略稳步实施。应将乏燃料中间贮存作为我国核燃料循环的重要环节，开展乏燃料贮存能力建设，掌握先进的乏燃料贮存技术，丰富乏燃料贮存手段，完备乏燃料贮存能力。结合国际经验，以配套后处理需求为主要目的，应在商业后处理设施附近加快集中式乏燃料湿法贮存能力建设。同时，基于干法贮存在安全性、场址获得性、灵活性、经济性、建设周期及运行便利性等优点，应以乏燃料中长期安全贮存、为后处理和快堆发展提供缓冲为主要目的，加快集中和分散相结合的乏燃料干法贮存能力建设。

4 结论及展望

4.1 结论

乏燃料离堆贮存对于核电安全稳定运行和发展有着重要的意义，目前世界主要核电大国实行乏燃料湿法和干法相结合的离堆贮存技术路线。乏燃料湿法贮存和干法贮存都是成熟、安全、可靠的贮存技术，在全世界范围内都有着广泛的应用。乏燃料湿法贮存和干法贮存在技术可行性、安全可靠性、工程经验、工期竞争性以及经济性等方面各有优劣。湿法贮存是乏燃料从反应堆卸载后，在开展任何其他乏燃料中间贮存方式前的最佳选择。干法贮存从长时间暂存、安全性、经济性、建造及运行维护便利性等方面具有一定优势。