核废料?核循环?乏燃料?最近有关核电的三个焦点到底有多玄

澎湃新闻记者 杨漾

2016-08-10 21:50 来源:澎湃新闻

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乏燃料水池。
一座百万千瓦的火电厂,每年要烧掉约330万吨煤,同样装机容量的核电站,一年只用30吨核燃料。但是,与燃煤后仅留下一堆废煤渣不同,从核反应堆中替换出来的乏燃料(即烧过的燃料)处理起来要复杂得多。乏燃料中包含有大量的放射性元素,后续若不加妥善处理,会影响环境、生态及人类健康。
从堆内卸出的核燃料由于铀含量降低,无法继续维持核反应,但仍有大量宝贝。经过特殊的后处理后,乏燃料中的铀和钚可以分离出来并返回反应堆,作为燃料循环使用,形成核燃料的循环。同时,衰变期长的长寿命元素可以被处理为衰变期更短的放射性废物,通过玻璃固化技术,在符合一定选址条件的高放射性废物处置场里贮存处置。因此,尽管许多人将乏燃料简单称为核废料,这并不意味着它就是百无一用的废料。
别小看了这类被回收再利用的核燃料,它为全球第二大核电国家法国贡献了17%的电力。58台运行中的核电机组,分布在法国55万平方公里国土之上,为其提供了高达75%的电力。中国目前的在运核电机组数约为法国的六成,但在调整能源结构和应对气候变化面前,中国拥有更庞大的核电发展计划。到2020年,中国核电机组数量将达到90余台,超过法国成为全球第二大核电国家。
但中国的乏燃料后处理体系,还未做好准备。
环境保护部核与辐射安全中心2016年6月发表的《全球乏燃料后处理现状与分析》论文称,全世界都不得不面对这样一个事实,核电站卸出的乏燃料数量在增长,大部分核电站的在堆贮存水池容量已经超负荷(在送至后处理厂前,乏燃料通常先暂存在核电厂自建的硼水池内若干年),全球正面临如何解决乏燃料的去向问题。中国核电迅速发展,可以预测,乏燃料安全处置问题将要出现。未雨绸缪,完善后处理产业机制,让乏燃料后处理在核能发展中变废为宝、变废为少,刻不容缓。
乏燃料中榨“铀”
根据放射性程度不同,核废料可分为高水平放射性废料和中、低水平放射性废物。从核反应堆中卸出的乏燃料本身具有极强的放射性,因此必须经过特殊环节的后续处理,一方面提取有用物质,另一方面降低废物的长期放射性毒性。
以百万千瓦压水堆核电站为例,每年产生的乏燃料为25吨至30吨。乏燃料中有大量的放射性元素,毒性大、半衰期长,要在地质处置过程中衰变到天然铀矿水平需10万年以上,但经过后处理等环节后,其放射性摄入毒性降到天然铀辐射水平的时间可减至千年以下,有效地降低了乏燃料的长期放射性毒性。
除了乏燃料之外,高水平放射性的核废料还包括经处理后的含有大量裂变产物和超铀核素的废物。核电站的污染设备、运行时的水化系统、交换树脂、废水废液和手套等劳保用品,则属于中、低放废料。
对中、低放废物,中国已经有了较为成熟的处置技术,不论是固体核废料还是液体核废料,都先进行固化处理,然后装进200升的不锈钢桶,放在近地表的处置库。目前,中国已建成了三个中、低放废物处置场,分别位于甘肃玉门、广东大亚湾附近的北龙和四川飞凤山。
目前国际上通行的核燃料循环路线有两种:一种是以美国为代表的“一次通过”开放核燃料循环方式,乏燃料经过冷却、包装后,作为放射性废物直接送到深地质层处置或长期贮存。中国、英国、法国等采取的则是闭式核燃料循环,乏燃料从反应堆中更换出来后,一般先暂存在核电厂自建的硼水池内,水可以吸收其大量的残余热量,大约贮存10年后,运送至后处理厂进行后处理。
在后处理环节,像钳子一样的机械手会轻松抓取乏燃料,然后放到剪切机里自动剪切成小块,扔进酸里溶解,其中有用的铀和钚被提取出来重新作为燃料循环使用,剩下的废液交由玻璃固化厂进行固化,再装进特制的废物罐中,运送到永久性处置场封存。也就是说,后处理过程使得核废料的规模大大压缩了。与此同时,这个过程可去掉长寿命放射性核素,降低废物长期毒性,铀资源的利用率也大为提升。
中国并非富铀国家。据国际原子能机构(IAEA)估计,中国有120万至170万吨潜在铀资源,目前探明铀资源储量约17万吨。随着核电机组的增加,中国对铀资源的需求也越来越大,仅靠市场采购难以满足需求。中核集团地矿事业部统计数据显示,到2020年,中国预计将出现高达2600吨的天然铀供应缺口,到2030年,这一数值将攀升至10900吨。提高铀资源利用率的意义,不言而喻。
通常来讲,压水堆核电站铀资源的利用率仅为0.6%左右,如果对乏燃料进行后处理,用“榨”出来的铀在压水中再循环一次,可节省天然铀25%;若如此多次循环,则铀资源的利用率可以达到1%;若将后处理得到的钚与铀富集后剩下的贫铀制成快堆燃料,则铀资源的利用率可以达到60%到70%。
最薄弱的环节
对于后处理的建设,一位日本专家曾打过这样的比喻:现在很多国家都在建核电站,就好像吃东西一样,大家现在都吃最好的一段,但是对乏燃料后处理考虑不够,这样发展下去的话核电将不能可持续发展。
据《全球乏燃料后处理现状与分析》,全球已掌握乏燃料后处理技术的国家有9个:法国、俄罗斯、英国、印度、日本、美国、比利时、德国、中国。其中,法国、英国、印度和俄罗斯正在运营商用后处理厂。
资料显示,过去30年里,美国运行有100多个核反应堆用于发电,目前美国核电站产生的乏燃料共有45000吨,并且正以每年2000吨的速度增加。德国核电站、实验室及医学机构每年产生20万立方米放射性废物。与美德等国相比,中国的乏燃料处理和处置似乎还没有到“最危险的时候”。
但随着核电机组的陆续建成和投运,中国乏燃料的产生量和累积量将呈逐年上升趋势。对于核电在建规模稳居世界第一的中国而言,这种核电站建设与后处理发展之间的脱钩情形将日益突出。相关资料显示,按照中国目前的核电发展规模和速度测算,到2020年将累积产生乏燃料7500-10000吨,2030年将达到20000-25000吨。
然而,中国尚未建成商用大型乏燃料后处理厂,国内首座、同时也是惟一一座乏燃料后处理中间试验工厂建在位于甘肃的中核404厂区内(404厂为中国最早的核工业基地之一),该中试工程年处理能力远远不能满足中国乏核燃料后处理的需求。乏燃料后处理/再循环已然成为中国核燃料循环中最薄弱的环节。
全球第二的在役核电规模,造就了法国发达的核循环工业。法国拥有世界上规模最大、工艺最成熟、技术最先进的商业乏燃料后处理及再循环工业。其阿格后处理厂是法国乃至世界上规模最大、技术最先进、工艺最成熟的商业轻水堆乏燃料后处理基地,两个车间的总处理能力约为1700吨/年,若满负荷运行,可承担90~100台百万千瓦级核电机组每年产生的乏燃料的后处理任务。阿格后处理厂不仅为法国本土所用,还为西班牙、瑞典等国提供服务。
美国虽出于防核扩散原因停止了商业后处理活动,但从未停止过后处理技术的研发。
印度在上世纪50年代就开始后处理技术的研究,是继英、法、俄罗斯之后第四个运行商业后处理厂的国家,其钍燃料闭式循环路线与快堆乏燃料后处理技术均处于较先进水平。
中国的商用后处理大厂建设之所以紧迫,不仅是出于巨大的现实需求,从长远看,还源自中国核电发展“压水堆-快堆-聚变堆”三步走发展战略。
如果将目前商业运行中的压水堆称为 “今天”的核电技术,快堆则是“明日核能”,有“人造太阳”之称的聚变堆,则是“后天”核能技术。代表了第四代核能技术发展方向的快堆,铀资源利用率更高、放射性废物更少、安全性更高。但其所使用的燃料,首先必须要从压水堆乏燃料中提取而得。因此,没有后处理大厂,快堆将成为一座“孤岛”,将面临“无米之炊”的尴尬。
“在快堆核能系统中,快堆好比心脏,核燃料循环好比动脉。”中国原子能科学研究院科技委原副主任顾忠茂曾表示,“如果后处理的能力上不去,那么快堆的规模也就上不去。”
后处理大厂的设计与建设是一项难度很大的复杂系统工程,时间跨度达15年甚至更久。未雨绸缪,建设与中长期核能发展规划相匹配的后处理/再循环项目,刻不容缓。
法国阿格核循环厂:年辐射剂量相当于自然辐射量的百分之一
形势迫切。中国的自主开发与引进国外先进后处理厂技术正在同步推进。
上述中核404后处理中试厂,于2010年12月21日取得热调试成功,标志着中国已掌握了动力堆乏燃料后处理技术。从某种意义上而言,中核404中试厂的热调试成功也提高了中国在引进国外后处理技术时的议价能力,增加了谈判筹码。
另一方面,2004年开始,中国就在寻找通过国际合作以解决核循环技术问题的可能性。2005年,中法两国就建设中国大型商用乏燃料后处理厂进行了初步交流和洽谈。
2013年,中核集团与世界核燃料循环后端的龙头企业、法国阿海珐集团签署了大型商业后处理-再循环工厂项目合作意向书。2014年3月,在中法两国领导人的见证下,中核集团与阿海珐集团签署关于后处理再循环长期合作谅解备忘录。该项目将采用国际先进后处理再循环技术进行建设,预计2030年正式投入运行。届时,中国将具备年800吨乏燃料后处理能力。
中国的核循环项目将参考法国阿格核循环厂,由阿海珐集团承担总体技术责任、中核集团负责建设,总占地3平方公里,由国家专项基金投资。阿格核循环厂多年监测的数据表明,该工厂给产业园区附近的公众带来的辐射剂量为0.03 毫西弗/年(mSv/a)。
这是什么概念呢?中国天然本底辐射剂量约为3.1毫西弗/年,是上述阿格核循环厂年辐射剂量的100倍。一次乘飞机飞越大西洋的辐射剂量约为0.02毫西弗,一次医疗CT辐射剂量为10毫西弗。
据介绍,为了保证工厂周围区域的土壤、地表水和空气中的放射性水平低于限值,中国核循环项目按照法律法规要求将所有放射性废物进行集中管理和处置。
从核电站到后处理厂,乏燃料的运输有一套严密的体系,按照《放射性物品运输安全管理条例》有相关的规定,运输之前需要报批,需对于路线、时间、物品的质量、应急措施等提出非常明确的计划。
除了循环厂选址和设计本身的安全保障外,“核循环项目在运行期间,还将对厂区的空气、水、土壤、植被以及邻近的海水、海生物、沉积物等进行辐射监测。由于采取了许多安全防护措施,加上后处理厂属于高度自动化及远距离操作,其工作人员的操作环境会十分良好,所受辐射剂量很低。例如英国THORP后处理厂,它的员工一年所受的职业照射,仅相当于乘坐一次从伦敦到东京的飞机在空中所受辐照。拥有两座大型厂的法国阿格中心,其气、液态流出物的放射性释放,多年来一直在当局批准的排放标准限值之下,公众所受辐照剂量仅为规定允许值的2%。”前中国核工业总公司核燃料局副总工、国际原子能机构核燃料循环方案国际工作组及乏燃料处理国际顾问组专家蒋云清此前介绍称。
焦点
我是北京大学物理系副教授雷奕安,关于核废料的问题,问我吧!
雷奕安 2016-08-10 212 已关闭提问
责任编辑:李跃群澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 核循环,后处理,核电,乏燃料,核燃料,中核,阿海珐,澎湃,澎湃新闻

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