乏燃料后处理厂建设应提上日程

:如何奋起直追,实现后处理技术的长足进步,已成核工业的当务之急。

多国差异化布局

社会主义建设进入到新时代,核工业发展与建设亦是如此。

鉴于核工业体系的庞大与复杂,笔者先结合自身在核工业几十年的工作经历,概述一下核工业。

“核工业”,又称原子能工业,泛指涉及核材料与核燃料研究生产加工、核能开发利用、核武器研制生产、放射性同位素研制生产和开发利用等庞大的、复杂的综合性工业部门。从科学上讲,核工业是利用自然资源,通过核反应促使原子核内部结构发生变化使核素发生转化,同时释放出巨大的、可控的能量并加以利用的高科技战略产业。

其主要任务两个方面:一是核能的和平利用,包含核材料、核燃料、放射性同位素的研究、生产、加工、应用等全过程;核反应堆与核动力装置的研究、设计、建造、运行;核能生产(发电和供热等)等。二是核武器(原子弹、氢弹、中子弹等)与军用核动力的研发,除核材料、核燃料、放射性同位素等与核能和平利用的生产原理相同外,核武器与军用核动力的研究、设计、建造、使用等都属于核工业的范畴。

核工业在一个国家的国防和经济社会发展中具有十分重要的地位和作用。核工业体系涉及的专业领域,包括:资源的地质勘探;资源的开采;材料的冶炼和精制;同位素的分离;燃料元件的制造;反应堆的设计建造运行;的处理;放射性废物的处理处置;放射性同位素生产;核武器研制;核仪器设备制造;核设施的建筑安装;核设施的退役;贯穿整个核过程的辐射防护技术;核保障技术等。

这里单独说说核燃料循环,核燃料循环是核工业体系中的重要组成部分,所谓核燃料循环是指核燃料的获得、使用、处理、回收利用的全过程。核燃料循环通常分成两大部分,核燃料循环前端和核燃料循环后端,核燃料循环前端包括铀矿开采、矿石加工(选矿、浸出、沉淀等多种工序)、铀的提取、精制、转换、浓缩、燃料元件制造等,而核燃料循环后端包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚分离的处理以及对放射性废物处理、贮存和处置等。

目前世界上不同的国家根据各自国情选择适合自己的核燃料循环策略,主要有三种方式:第一种,瑞典、加拿大和西班牙等选择了核燃料“一次循环通过”方式。

第二种,采取核燃料闭式循环方式。代表国家主要有法国、英国、俄罗斯、日本、印度和中国等(美国也于2006年正式宣布采用闭式燃料循环方式)。这种方式是即对乏燃料进行化学处理(或称后处理,以区别于核燃料在进入反应堆前的化学处理过程),从中回收总量占96%左右的铀和1%左右的钚,并通过再循环加以充分利用。而只占总量3%左右的长寿命裂变产物和次锕系核素(镎、镅、锔等)才作为高放废物经玻璃固化后作最终地质处置。当然,随着科学技术的进步,未来或将可以通过嬗变技术把那些在后处理过程中分离出来的锝(99Tc)、碘(129I)等裂变产物和次锕系核素“焚毁”,使之转变为短寿命或稳定的核素,从而大大减少或消除放射性对环境的危害,使核能利用更加清洁。

此外,仍有不少国家尚未确定核燃料循环的技术路线,对反应堆乏燃料采取暂时储存的做法,然后根据国际形势的变化再做决策。例如,主要大国之一韩国因美国不允许其搞后处理,不得不开发DUPIC(Direct Use of PWR Spent Fuel In CANDU Reactor)过程,该过程采用干法技术,将压水堆(PWR)乏燃料经过高温处理去除其中的挥发性裂变产物之后,重新制成燃料,供CANDU堆使用,这也属于闭式核燃料循环方式。

总之,全世界主要的核电国家均走核燃料闭式循环之路,这也符合国际形势需求。举例来讲:通常,一盒新的轻水堆燃料元件含铀总量为500kg,其中铀235占3%~5%左右,剩余则全为铀238。在反应堆内运行3年之后,新燃料元件变为乏燃料元件,但该盒元件内含铀量仍有475~480kg(占95%~96%,其中铀235为1%,铀238为95%),钚占5kg(1%),而其他放射性裂变产物仅占15~20kg(3%~4%)。对乏燃料元件进行后处理,可以大大提高核燃料资源的利用效率,经后处理后提炼出来的铀和钚可以重新加工成新燃料元件,供核电机组使用。与此同时,对乏燃料进行后处理还能显著减少放射性物质的体积和毒性。1t乏燃料元件,如果不经后处理而直接进行处置存放的话,相当于要储存体积为2m3的高放废物。而形成鲜明对照的是,如果进行后处理,则同样重量的乏燃料最终需要处置存放的放射性废物体积将降至0.5m3以下,同时放射性活性还将有所降低和减弱。因此,选择对乏燃料元件进行后处理,其经济价值和环境价值无疑是十分显著的。核燃料“一次通过”循环是最为简单,在铀价较低的情况下也较为经济,但是近年来国际铀价一路飙升,闭式循环不仅可以大大提高铀资源的利用率,而且也比较经济,更符合核能的长期持续发展战略。当然,对于一些核电规模较小的国家,没有必要在其国内进行燃料再循环,可以通过国际合作的方式实现核燃料再循环。图1为核燃料循环示意图,图1左边以轻水反应堆(LWR)为例(重水反应堆过程类似),采用湿法后处理过程;右边以快堆(FR)和加速器驱动次临界洁净系统(ADS)为例说明核燃料循环过程,采用干法后处理过程。

乏燃料后处理厂应提上日程

所谓的“乏燃料后处理”是指在核燃料循环中经过辐照过的燃料元件从堆内卸出时,不管是否达到设计的燃耗深度,总是含有一定量裂变燃料(包括未分裂和新生的),回收这些宝贵的裂变燃料(U235,U233和Pu)以便再制造成新的燃料元件或用做核武器装料的过程,分为干法后处理和湿法后处理两种。

乏燃料后处理过程十分复杂,这是因为乏燃料的放射性很强,有些核素的毒性又大,有发生临界事故的危险等,要求整个后处理过程必须在屏蔽和密闭的条件下远距离操作运行,这就给后处埋过程带来很大的难度。不过,历经多年的发展,乏燃料后处理技术目前已经比较成熟。

后处理技术的研发始于20世纪40年代,首先是为军用服务的,即从低燃耗的生产堆乏燃料中提取军用钚,后来后处理的对象转向动力堆(首先是核电站)的乏燃料以及各类研究堆的少量乏燃料。70年代以来,后处理技术取得了长足的进步。法、英、俄、日等国一直在运行着大型的商业性后处理工厂,这些工厂的工艺、技术、安全、管理、经济性等各方面都是成功的,已经积累了十分丰富和宝贵的运行经验。

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