1、世界乏燃料后处理工业现状北极星电力网新闻中心 2013-5-7 11:26:56 我要投稿所属频道: 核电 关键词: 乏燃料铀核电技术北极星核电网讯:法国核电工业发达，现有 58 台核电机组在运行，总装机容量约 63吉瓦，年发电量约 4210 亿千瓦时，约占全国总发电量的 75%。这些核电机组在发电的同时，也产生大量的乏燃料。法国采取闭合式燃料循环政策，即对核电厂产生的乏燃料进行后处理，回收其包含的铀和钚，并制成燃料继续在反应堆中循环使用。采取闭式燃料循环政策的国家还有日本、俄罗斯、印度等国，就目前的情况看，法国的商业乏燃料后处理及再循环工业是世界上规模最大、工艺最成熟、技术最先进的。大型商业
2、后处理活动：不可比拟的“阿格地位”法国先后建成过 UP1、UP2 和 UP3 三座商业后处理车间，其中位于马库勒场址的UP1 于 1958 年投运，主要用于军事目的，已于 1997 年关闭，UP2 和 UP3 均位于阿格后处理厂。经过 40 年的发展，阿格后处理厂如今已成为法国甚至是世界上规模最大、技术最先进、工艺最成熟的商业轻水堆乏燃料后处理基地。它不仅处理法国国内的乏燃料，还为德国、日本、意大利等国处理进口乏燃料。该厂运行至今未发生过任何重大事故，成为成熟商业后处理的典范。该工厂目前拥有 6000 多名员工。阿格后处理厂现有两个后处理车间在运行，即 UP2-800 和 UP3，均使用成熟的
3、PUREX 工艺。 UP2 于 1962 年动工兴建，1967 年 1 月投产，曾处理过石墨气冷堆、快中子堆以及轻水堆等多种堆型的乏燃料，处理能力为 400 吨/年，但经过改造后每年可处理 800多吨轻水堆乏燃料，并更名为 UP2-800；UP3 由 7 个国家（不包括法国）的外国客户共同出资兴建，于 1990 年投入商运，额定处理能力为 800 吨/ 年。两个车间的总处理能力约为1700 吨/年，若满负荷运行，可承担 90100 台百万千瓦级核电机组每年产生的乏燃料的后处理任务。目前，全球的轻水堆乏燃料后处理能力总计约为 3000 吨/年，而阿格后处理厂占到其中一半以上，可见其在世界乏燃料后
4、处理领域拥有不可比拟的地位。在阿格工厂，后处理作业可回收 99.9%的钚和铀，仅剩下约 3%的物质成为高放废物，经过玻璃固化后存于现场，等待最终处置。目前，阿格后处理厂的典型进料是铀 235 浓度为 3.7%、燃耗为 45GWd/t、冷却 4 年后的压水堆和沸水堆乏燃料。法国电力公司目前每年产生约 1200 吨乏燃料，在 2009 年以前每年将其中的 850 吨运往阿格后处理厂进行处理，可回收约 8.5 吨钚和 810 吨堆后铀（RepU），其中回收的钚被立即送往马库勒（Marcoule）工厂制造成约 100 吨混合氧化物燃料（ MOX）。从 2010 年起，法国电力公司每年送至阿格后处理厂的
5、乏燃料增加到了 1050 吨。在 2011 年之前的几年，由于大部分海外合同到期，加之没有签署新合同，阿格后处理厂的实际年产量仅为 8001000 吨乏燃料。2011 年下半年，阿海珐集团与国内外企业签订了若干份新合同，使其实际产量在 20122014 年将达到 1250 吨，2015 年以后的目标产量为 1500 吨/年。2012 年该工厂共为法国和荷兰电力公司处理了 1023 吨乏燃料，其中绝大部分来自法国电力公司。阿格后处理厂自建成以来，除承担国内的乏燃料后处理任务之外，还承担了大批来自德国、日本、比利时、荷兰、瑞士等国的后处理任务，获得了较好的经济效益。截至 2009年年末，阿格后处理
6、厂累计处理了约 2.7 万吨来自国内外的轻水堆乏燃料，其中相当大一部分来自国外。从某种程度上讲，在过去 20 年中，如果没有外国客户的支撑，法国商业后处理工业很难取得如此辉煌的成就。核燃料再循环：MOX 燃料计划法国目前正在其轻水堆中使用通过乏燃料后处理提取的大量堆后铀和钚。据法国电力公司估算，其约 20%的发电量来自回收材料钚和铀。与其他核电发达国家类似，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，
7、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。法国电力公司的堆后铀在皮埃尔拉特转化厂转化成 U3O8 以便进行中间贮存，或转化成 UF6 后在皮埃尔拉特铀浓缩厂或俄罗斯谢韦尔斯克（Seversk）铀浓缩厂进行再浓缩。法国每年约有 500 吨堆后铀（UF6）送至俄罗斯谢韦尔斯克设施进行再浓缩，浓缩后的 UF6被送至阿海珐的罗芒工厂转化成 UO2 并制成燃料组件。法国电力公司自 20 世纪 80 年代
8、以后就在其 90 万千瓦级动力堆中使用这种燃料。截止到 2010 年年底，法国电力公司的堆后铀库存达到 2.4 万吨，分布于 4 个场址，成为一种战略资源。法国于 1987 年发起轻水堆 MOX（混合氧化物）燃料计划，目标是在其所有 90 万千瓦级核电反应堆中使用 MOX 燃料，以便尽快消耗不断增加的商业钚库存。目前，法国电力公司共有 20 台 90 万千瓦级反应堆正在使用 MOX 燃料，其许可 MOX 装料比例为30%，但实际用量低于这个比例，这是法国电力公司的商业钚库存从 1988 年的不到 1 吨猛增至 2005 年 50.9 吨的原因之一。2007 年法国电力公司使用的 MOX 燃料的
9、最高平均钚含量从 7.08%提高到 8.65%。法国共建设过 3 座 MOX 燃料制造设施，目前仅剩下梅洛克斯工厂在运行，它也是目前全球唯一正在运行的商业规模 MOX 燃料制造设施。该厂于 1990 年动工兴建，1995 年投运，1997 年产能达到 100 吨/年。2003 年该厂的许可产能从 145 吨/ 年提高到 195 吨/年。截止到 2008 年年末，阿海珐持有 30 吨/年的 MOX 燃料出口合同，主要来自日本和德国。2008 年年底，阿海珐和法国电力公司宣布把乏燃料后处理和再循环协议延长到 2040年，从而确保阿格后处理厂和梅洛克斯 MOX 燃料制造厂可以得到持续发展。为此，阿海
10、珐打算到 2015 年将阿格工厂的实际后处理产能提高到 1500 吨/年。这使法国电力公司每年送至阿格后处理厂进行处理的乏燃料从 2010 年起可增加到 1050 吨，梅洛克斯工厂的MOX 燃料年产量从 100 吨增加到 120 吨。该协议还意味着法国电力公司将循环使用乏MOX 燃料。使用后的乏 MOX 燃料和乏堆后铀目前被临时贮存起来，等待未来各种条件成熟之时再进行后处理，然后在第四代核能系统中使用提取出来的钚。新型后处理技术的开发：为第四代核能系统的工业应用做技术准备法国目前正在研究和开发 3 种先进的后处理流程，分别是 COEX、DIAMEX-SANEX和 GANEX。其中， COEX
11、流程已经比较成熟。阿海珐于 2007 年完成“一体化再循环工厂”的设计，并计划于 2020 年采用 COEX 流程建成第三代后处理厂。COEX 流程属于第三代后处理技术，可将铀、钚（通常还有镎）共同提取出来并提取出纯铀。DIAMEX-SANEX 流程可选择性地把长寿命放射性核素（重点是镅和锔的分离）与短寿命裂变产物分开。该流程可与 COEX（在铀、钚、镎分离之后）联合使用。铀- 钚和次锕系元素可在快堆中循环使用。GANEX 流程可使钚和铀共沉淀（和 COEX 流程一样），然后使次锕系元素和一些镧系元素与短寿命裂变产物分离。铀、钚和次锕系元素共同成为快堆燃料，镧系元素成为废物。作为法国-日本-美
12、国全球锕系元素循环国际论证计划（ GACID）的一部分，这种流程从 2008 年起开始进行示范论证。目前，示范工作预计已经完成，正在制造燃料元件。从2020 年起，燃料组件将被装入日本文殊快堆进行辐照测试。为了论证这些技术的工业可行性，法国可能会建造两座中试厂。一座可能基于 COEX流程，旨在为法国原子能和替代能源委员会拟于 2020 年建成的第四代核能系统（快堆）制造驱动燃料。另一座用于制造含有次锕系元素的燃料组件，以便在快堆上进行辐照测试。法国的长远目标是到 2040 年左右为第四代核能系统的工业应用做好技术准备，届时阿格后处理厂将被新的一体化核燃料循环设施所取代。技术输出：将后处理技术推
13、向国际市场法国不仅在国内从事乏燃料后处理技术开发和应用活动，还努力将其先进的后处理技术推向国际市场。日本的六所村商业后处理厂就是以阿格后处理厂的 UP3 车间为模板建造，兼顾英国和德国的一些技术，并且尽可能多地使用本国技术设备，以利于日本将来建设自己的后处理设施。该厂的设计年处理能力为 800 吨，于 1991 年开工建设，目前正处于最后的测试阶段，预计于 2013 年 10 月正式投运。此外，近几年来美国也对法国后处理技术表现出兴趣。对此，阿海珐积极响应，向美国政府建议耗资两百多亿美元，采用法国的成熟技术，建设一座产能为 2500 吨/年的乏燃料后处理厂和一座 MOX 燃料制造厂。目前，阿海
14、珐已经与美国杜克能源公司建立联盟，准备向美国能源部提交建设 MOX 燃料制造厂的申请。各国乏燃料后处理新动向英国英国一直坚持乏燃料后处理政策，在后处理、核废物管理与处置、核退役等方面都拥有一定的工业基础和技术。英国的后处理厂主要在塞拉菲尔德与唐瑞这两个基地。塞拉菲尔德是目前英国最大的核基地。塞拉菲尔德的 THORP 后处理厂于 1974 年提出建设构想，经过 20 多年的努力，于 1992 年完工，1994 年开始剪切辐照燃料试运行，1997 年获得英国核设施检察局（NII ）颁发的运行许可证。据 2013 年 1 月的消息称，英国电网公司旗下的 SizewellB 核电站已开始实施一项为期两
15、年的项目，建造一座干法乏燃料贮存库，该设施将在 2015 年投入使用，届时该电站乏燃料贮存池达到设计容量。从 2015 年起，新的干法乏燃料贮存库将贮存核电站寿期内的乏燃料，直到深地质处置设施可用。虽然世界很多地方都在使用乏燃料干法贮存，但 SizewellB是英国的第一座贮存设施，该设施预计在 2035 年停止运行。日本1977 年，日本运行了东海村后处理厂（TPR），目前已完成热试、位于青森县的新的后处理厂六个所，年处理能力为 800 吨铀，其水池贮存能力为 3000 吨，并能贮存从英国和法国后处理厂返回日本的放射性废物，六个所后处理厂包括乏燃料接收与贮存、首端、主工艺和废物处置与贮存车间
16、。而据 2013 年 1 月 7 日的消息称，日本政府正在考虑为韩国、越南和其他亚洲国家后处理乏燃料棒。日本是世界上唯一没有核武器、却拥有后处理乏燃料棒的设施、能够生产武器级钚的国家。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，美国可能坚持修改协议，进一步限制日本后处理能力。俄罗斯于 1976 年 4 月投入试运行的 RT1 后处理厂是目前俄罗斯仍在运行的后处理厂，年处理能力为 400 吨/年。2011 年 12 月，俄罗斯新的一个乏燃料贮存设施在东西伯利亚投运，据介绍，随着乏燃料后处理设施的运行，俄罗斯核电厂 95%的乏燃料都可以回到核燃料循环中。此外，今年 2 月，俄罗
17、斯国家核能公司 Rosatom 宣布，位于热列兹诺戈尔斯克的乏燃料再处理示范厂已启动招标工作。根据招标文件的条款，乏燃料再处理厂必须在 2015 年12 月 10 日前投入运行，试点示范中心初期将用于开发和测试 VVER-1000 反应堆乏燃料再处理的新技术，预计后期可开发快堆乏燃料再处理技术。印度印度是继美、法之后建成水法 PUREX 后处理流程的第三个国家，也是目前继英、法之后第三个运行商业后处理厂的国家。印度在上世纪 50 年代就开始后处理技术的研究，最早的特朗贝中试厂于 1964 年投运，采用了通用的 PUREX 流程，经过改进，其年处理能力从 30 吨扩大到 60 吨。在特朗贝中试厂
18、成功运行后，印度先后又建成了塔拉普尔和卡尔帕卡姆两座后处理厂，塔拉普尔后处理厂（PREFRE1）于 1974 年投产，主要处理重水堆燃料，设计能力为 100 吨/年， 1990 年实际能力达到 150 吨 /年。2011 年 1 月，印度新落成一个后处理厂，位于印度塔拉普尔(Tarapur)，其将从乏燃料中提取出供快堆使用的铀和钚。美国美国是最早建成军用和商用后处理厂的国家，在上世纪 70 年代初建成了处理能力为1500 吨/年的商用后处理厂，现在通用的后处理 PUREX 流程是美国率先开发出来的。但是，1977 年卡特政府宣布无限期推迟商业后处理政策，后来虽然里根政府表示采取积极步骤支持商业
19、后处理，但美国至今没有商业后处理厂运行。然而，美国的商用后处理厂虽叫停，后处理技术的研发却并未停止，在全球后处理厂的技术研发市场上，美国仍具有强大的话语权。据 4 月初的相关消息报道，在 2014 财年预算申请为核废物研发增加了 6000 万美元之后，美国能源部（DOE）在 4 月 16 日宣布要推动核废物管理计划，从而找到乏燃料的解决方案。DOE 计划在今后 5 年向电力研究所领导的项目投入 1580 万美元，电力研究所的项目包括设计和验证从商业核电厂取出的高燃耗乏燃料的干法贮存罐技术。年初，DOE 发布了管理处置乏燃料及高放废物的战略，该战略要求到 2021 年建立一个暂时贮存中试设施，主要接收关闭反应堆场址的乏燃料，以及到 2025 年建立一个较大的暂时贮存设施。DOE 的计划要求到 2048 年建立一个地质处置库。
