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核电站乏燃料水池容量并非迫切进行后处理的理由。2012年的文章《
核乏燃料:临时储存能力尚可 后处理商业化道路坎坷
》里面提到
中国原子能科学研究院工程师周科源也明确向中国经济导报记者表示:“我国现在的核电厂核乏燃料水池的储存能力增建目前并不迫切。”他进一步解释说:“核乏燃料临时贮存水池设计能力是能装载该核电厂运行7~10年所卸载的核乏燃料,这是指满功率运行时间。实际上在电厂运行前期有一段较长的低负荷运行期,而且经过安全许可的密集储存方式及其换料优化后换料周期增长,如18个月,这样核乏燃料水池储存能力能增加到20年或更长。”周科源还告诉中国经济导报记者,核乏燃料的第二种临时贮存形式就是在核乏燃料临时贮存水池冷却1年以上,即可转移出水池在厂区内干储存,“就像在某些核电厂图片上能看到的并排的立式大罐,我国还没有这种存储方式,若采用此种方式的话,贮存能力会更大。”
那么,核乏燃料临时贮存的费用究竟会否太高?周科源说:“临时贮存的费用相对于后处理或燃料费用来说,是非常低廉的。干式的厂区贮存设施建造成本不高,安全防护也是厂区防护级别,成本不会太高。”
由于锆合金十分耐水和大气腐蚀,目前业内认为在水池或干式的贮存设施当中,乏燃料可以可靠安全地存放数十年之久。
1977年卡特政府宣布无限期推迟商业后处理政策(与暂停核电许可证发放不同,发生在三里岛事故之前),美国的乏燃料并没有进行后处理。美国的乏燃料目前储存在100多个临时储藏点,包括核电站厂址和部分临时储存措施。尤卡山处置场实际由于法律等方面原因并没有没有使用,里面没有乏燃料。
核废物减容也并非迫切进行后处理的理由,乏燃料的密度很大,典型的压水堆元件为214*214*4058,组件重量约670kg,也就是说每吨乏燃料的实际体积不过0.4立方米,即使以美国核电累积的7万吨乏燃料而言,如果集中存储,存储设施占地不过是不到一座美式橄榄球场的面积。
采用玻璃固化后处理高放废物的主要目的是进行地质处置,玻璃固化体的耐浸出能力远远强于乏燃料,但是直接对原先的高放废液固化物进行地质处置的观点,在上世纪90年代分离-嬗变策略提出后,也有了很大改变。高放废液在分离锕系废物实现非α放射化之后,去除需要嬗变的长寿命裂变产物(锝和碘129),再去除高发热量的锶、铯后才进行固化处置,处置要求已没有原先的地质处置那么严格,分离嬗变策略才是真正大幅度核废料减容的路线,可以将地质处置废物量降低到原来的1/50——因此分离嬗变所需要的后处理技术比目前的商业后处理还要来的高级,所以后处理大厂的运行经验依然是必须的。关于分离嬗变的具体内容可以参见此ppt的后半截:《
核废物处置战略和 加速器驱动次临界嬗变系统(ADS) 研究展望
》
我国迫切需要发展大型后处理厂的原因主要是弥补技术短板。我以前的回答提到
由于我国核工业在上世纪八九十年代的投资锐减与技术断档,我国的核技术存在严重的技术储备不足,长期处在一个补课阶段。最近这二十年,在核电站大规模建设、国产化水平不断提高的同时也从俄罗斯引进离心机、快堆技术,也建设了新的高通量反应堆等核科学设施,但是在乏燃料后处理,新概念堆型的技术积累远远不能和老牌工业国相比。按有关方面消息,2010年404厂的中试线投运不到10天就停运了,而之后一直在与法国进行核燃料后处理大厂的项目谈判,不排除是技术上的困难所致。
目前法电大亏,在经济压力下同意向国内转移原先要价极高的后处理大厂技术,是难得的技术抄底机会。但如果单纯为引进技术而进行后处理大厂建设,则有政策变化不投入实际运行,最终浪费大量投资的隐忧——日本的六所村商业后处理厂以阿格后处理厂的UP3车间为模板建造,设计年处理能力为800吨,热试验基本成功,但是东海村事故和福岛事故使这一工程一再推迟投入使用。允许日本后处理乏燃料棒的日美双边核能协定将在2018年到期,目前尚不清楚美国是否会进一步限制日本后处理能力,前途堪忧。
我国很早就提出了中国核能发展“(压水堆—快堆—聚变堆)三步走”战略。但是实际情况与当初提出这一战略已经有了很大不同:
1.快堆技术发展长期停滞,距离商业快堆的经济性和安全性要求尚有距离,聚变堆项目仍然前景不明。以后处理技术最为成熟的法国为例
法国最初的闭式核燃料策略是通过后处理将乏燃料中包含的钚提取出来,制成燃料后在快中子增殖堆中循环使用。因此,在建设大型后处理设施的同时,法国于1967年投运了实验快堆,1973年投运了“凤凰”快堆,1976年又决定建设“超凤凰”快堆,当时的预计是到2000年“超凤凰”型快堆将投入大规模应用。然而,到了上世纪80年代,石油价格下降,天然铀价格也随之下降,而燃料循环后段价格却在上升,加之快堆研发挫折不断,法国不得不调整核燃料循环战略,转向在热堆中燃烧后处理产生的铀和钚。
核电站乏燃料后处理现状和发展趋势浅析
“在30~50年内,核乏燃料的后处理在经济上都是不合算的。法国进行核乏燃料后处理是因为法国已经进行了大量的前期投入,也有很多人从事这方面的工作。法国也只处理了1/3的核乏燃料,因为成本太高,而且处理后产生的钚也是个问题,虽然钚是快堆的重要核燃料,但是快堆技术还不成熟。”
核乏燃料:临时储存能力尚可 后处理商业化道路坎坷
在热堆中钚并不能得到有效的利用,MOX燃料成本高昂,在热堆中只能使用一次,再次回用的钚质量不能满足热中子堆的要求;后处理回收的堆后铀由于含铀236,在轻水堆中使用也是非常不经济的(重水堆比如CANDU和高温气冷堆可以使用,但法国并没有发展这两种堆型)。在在轻水堆中使用MOX燃料实际上是维持后处理能力,同时消耗钚库存的无奈措施。
2.国际市场由于冷战后核武库流出的铀和核电在几次大事故之后的停滞,天然铀供应充足,短期内并无资源匮乏之忧。我国北方盆地可地浸砂岩铀矿资源勘探取得多个重大突破,天然铀资源远景评估足够满足相当时间内我国核电发展的需求。以增殖堆解决天然铀供应问题的需求并非非常迫切。
3.分离嬗变思想已经被核工业广泛接受,并提出用专门设计的快堆和加速器驱动次临界系统(ADS)作为消耗锕系元素和某些长寿命裂变产物的思想,并且实际上已经转入技术研发,而分离嬗变对后处理的要求远远高于老的“回收钚、铀,固化高放废物地质处置”的后处理方法。后处理技术要求分离铀、钚、次要锕系元素、铯锶类高放短寿命核素、长寿命核素、并且要求将镅与裂变产物中稀土分离,现有的Purex流程必须与其他流程结合,或者发展全新的后处理路线才能实现。我国已经研究了与Purex配合的TRPO流程及其他一些概念流程,其中TRPO流程很早就已经进入到热试阶段。
4.我国在四代堆当中新型钍基熔盐堆、高温气冷堆、高温熔盐堆的发展计划也与原有闭式循环思路存在一些冲突之处。
液态钍基熔盐堆要求在线处理液态熔盐燃料,技术路线与Purex为代表的水法路线有很大不同;高温堆使用的燃料包覆颗粒由于SiC包覆层难以破损和高燃耗,目前被认为只适用于一次通过循环。
由于这些变化在讨论我国核燃料闭式循环路线时,最好要明确我国的闭式循环路线是否需要原先快堆发展所需要的大量钚累积——因为钍基熔盐堆的热中子增殖堆路线的燃料循环系统与基于铀钚循环的快堆差别极大,不需要大量钚库存;如果继续推进快堆路线,那么现有的钠冷快堆或铅冷快堆的原型快堆应当尽早进入实际运作阶段,以便和乏燃料后处理大厂配合生产快堆MOX燃料。同时还需要明确是否从发展快堆变为发展分离嬗变战略,否则单纯建设一个大型后处理厂,却没有为分离嬗变战略的先进后处理技术预留升级空间,那也是一种投资浪费。
至于印度,印度核电的主力是的小型加压重水堆,最高燃耗只有压水堆的1/4弱,印度虽然声称其发展后处理能力主要目的是回收钚用于快堆项目,但更可能用于生产堆燃料后处理,以便生产武器钚——这些重水堆可以非常迅速的转为生产堆运行。
印度的核能发展上,快堆进展比我们的强,在碳化物燃料方面有实际运行和后处理经验,目前已经进展到了原型快堆阶段(虽然临界时间一再跳票),比我国拖拖拉拉折腾二十年才把试验快堆临界相比,要高效一些,至于大型轻水堆商业核电实际运行和建设,印度是很烂的。