浅谈世界后处理现状和发展趋势

浅谈世界后处理现状和发展趋势

王俊峰 杨掌众

　　一、概述

　　1.乏燃料管理策略

　　为了应对化石燃料的短缺和保证能源安全，核电因其清洁性和高能量密度而受到青睐，进入了一个积极发展期，由此也带来了对核电站卸下的乏燃料进行有效管理的问题。目前，对于乏燃料的管理，国际上主要有三种战略考虑：

　　其一是后处理战略。即对乏燃料中所含的96%的有用核燃料进行分离并回收利用，裂变产物和次锕系元素固化后进行深地质层处置或进行分离嬗变，这是一种闭路核燃料循环。其特点是铀资源利用率提高，减少了高放废物处置量并降低其毒性，但缺点是费用可能较高，可生产高纯度的钚，有核扩散的风险。

　　其二是一次通过战略。即乏燃料经过冷却、包装后作为废物送入深地质层处置或长期贮存，美国曾经支持此战略，但其最终处置场尤卡山项目碰到了困难，现在美国已转向了后处理。该战略特点是费用可能较低，概念简单；无高纯钚产生，核扩散风险低。但缺点是废物放射性及毒性高，延续时间长达几百万年；没有工业运行经验。

　　还有一种是观望战略，就是等等看。

　　2.后处理的优点和必要性

　　乏燃料后处理是我国早已确定的技术路线。1983年，国务院科技领导小组召开全国专家论证会，经过对我国核电发展计划、国内外铀资源情况、国内后处理工艺技术发展水平、后处理的安全性、经济性等诸多方面的充分论证，确定了“发展核电必须相应发展后处理”的战略，并在1987年日内瓦国际会议上对外公布了这一决定。

　　第一，后处理可以充分利用铀资源，保障核电可持续发展。

　　发展后处理工业是保证我国核电可持续发展的重要环节。压水堆核电站乏燃料中铀-235为0.8％～1.3％，比天然铀中的铀-235的含量0.71％还高。另外还有新生的可裂变物质钚-239。通过后处理可从乏燃料中回收有用的铀和钚，再制成UO2或MOX燃料返回热堆或快堆使用，大大提高铀资源的利用率。据专家测算，将后处理得到的铀和钚返回压水堆中使用可节省天然铀30％左右。如果能实现快堆和后处理的核燃料闭式循环，铀资源利用率可提高60倍左右，这意味着本来仅能使用50～60年的天然铀就可利用3000余年。

　　第二，后处理可以使放射性废物减容和降低毒性。

　　后处理不仅可显著地减少需长期深地质层处置的核废物体积，而且可使最终废物的放射性毒性大幅度降低。动力堆卸出的乏燃料如果按“一次通过式”处理方式进行长期深地质层处置，高放废物量约为2m3/tU。按现在国际上运行的后处理厂的水平，乏燃料经过后处理后产生的高放废物量约为0.5m3/tU，仅为前者的1/4。按照目前后处理工艺技术的水平，铀、钚的回收率可达99.75%，使最终处置废物的放射性毒性降低一个数量级以上。



　　二、各国主要后处理厂的现状

　　1．法国

　　法国现在的商业后处理厂集中在阿格中心。经过40年的发展，阿格后处理中心已成为法国最重要的商用后处理基地，也是目前世界上最大的轻水堆乏燃料后处理中心。在这里运行的UP2-800 和UP3 后处理厂总的运行能力达到1700tU/年，同时这两个厂拥有着世界大型商用后处理厂最成熟、先进的工业后处理技术。

　　UP3 和UP2-800 厂的联合工程，是欧洲最大的工程项目之一。预算500 亿法郎，耗时近20 年。UP3 与UP2-800 厂顺利运行，至今没有发生重大的事故，成为成熟商业后处理的典范。法国通过对该联合工程的巨大投入，促进了法国后处理产业和相关联的一些高科技产业的大力发展，相应的科研与技术也在世界上处于领先地位。同时，法国通过对国外客户提供后处理服务已直接获得了较好的效益。截至2005年初，阿格基地累计处理的轻水堆乏燃料量已达20500 吨，其中国内电站乏燃料10863 吨，国外为9637吨。

　　2．英国

　　英国是传统的核大国之一，其核工业的发展已经有半个多世纪的历史了，目前核电发电量约占英国总发电量的25%。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。该国镁诺克斯核电站产生的乏燃料由塞拉菲尔德镁诺克斯燃料后处理厂（B205）处理。该厂处理能力为1500 t HM/a。该国改进型气冷堆（AGR）和压水堆（PWR）卸出的乏燃料，则在塞拉菲尔德的THORP后处理厂处理，其处理能力为1200 tHM/a。该厂同时还处理来自国外客户的轻水堆乏燃料。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。THORP后处理厂在大型后处理厂的设计、建造、运行等方面都拥有独到的经验和技术，可以处理先进气冷堆和轻水堆的乏燃料。运行至2004年以来，已经累计处理了乏燃料5644吨。

　　3．日本

　　日本从1963年开始利用核能。根据电力工业委员会（政府咨询组织）所写的报告，核电生产能力将在2010年增加到70GW，每年产生的乏燃料约1000～1500tU。根据日本和英、法签定的后处理合同，1998年9月前大约有5600tU从轻水堆卸出的乏燃料通过海运到这两个国家进行后处理。1977年运行的东海村后处理厂（TPR）截至2002年底累积处理乏燃料约1009吨。

　　日本正在建造的青森县六个所后处理厂年处理能力为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，计划2006年热试。六个所后处理厂包括乏燃料接收与贮存（正在运行）、首端、主工艺和废物处置与贮存车间。主工艺使用PUREX流程，除去易裂变产物，并对铀钚进行分离纯化。六个所后处理厂于1991年施工，在1999年完成燃料接收和贮存车间的建造，现已贮存大约640吨乏燃料。2001年4月在工厂的首端厂房开始水试，2005年7月完成建造工作。其工艺厂房的设计主要引进法国的技术，也采用了英国和西德的一些技术，并尽可能地使用本国技术。全部辅助设施都使用国内技术，而且全部厂房的设备包括主工艺线也都采用本国制造的设备，以利于建立日本自己的后处理技术体系。

　　4．俄国

　　早在上世纪40年代末，苏联就开始军用堆乏燃料的后处理。第一座大型生产堆于1948年6月建成投入运行，与之配套的后处理厂在1948年底到1949年初开始投入运行。俄罗斯核电站每年卸出的乏燃料约为710tU，到2006年累计卸出的乏燃料已经超过17000tU。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400tU/年，累计处理量约为4500tU。为了处理WWER-1000型核电站的乏燃料，前苏联在上世纪70年代计划在克拉斯诺亚尔斯克地区建设处理能力为1500tU /年的RT2后处理厂。该厂建设了大约30%以后，由于各种原因， 1989年宣布无限期推迟建设。最近有相关资料报道，该厂可能于2020年建成运行。

　　5．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，同时还是世界上唯一对坎杜堆乏燃料进行后处理的国家，某些后处理技术处于世界领先地位。

　　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（PREFRE 1）于1974年投产，主要处理重水堆燃料，设计能力为100t/a，1990年实际能力达到150 t/a。计划于2005年运行PREFRE 3B后处理厂，设计能力为150t/a。卡尔帕卡姆后处理厂，原设计处理能力为100t/a，后决定扩大一倍，达200t/a。由于印度特别重视对快堆乏燃料的后处理，印?甘地原子研究中心正在建造一座快堆乏燃料后处理厂（FRFRP）。

　　6．美国

　　现在通用的后处理PUREX流程是美国率先开发出来的，美国商业后处理厂的建造起步也很早。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后处理，美国至今没有商业后处理厂运行。不过，美国后处理研究工作一直很活跃。今年2月，美国首次推翻原先制定的乏燃料“一次通过”政策，表示恢复商业乏燃料后处理，而且这种后处理技术可以防核扩散。

　　美国拟采用UREX流程，该流程的特点是采用一个水法流程，在首端将占乏燃料96%的铀与仅占4%的钚、次锕系元素和裂变产物分开。大量的铀的分离提取采用水法流程，可借鉴成熟的PUREX流程的经验，所需的分离设备很小。由于该流程分离得到的产品不是纯钚，而是钚和次锕系元素的混合物，可避免产品用于核武器制造；同时，在不影响快堆运行的情况下，产品中可含有适量的裂变产物，其放射性辐射可防止恐怖分子的接近，且随着超铀产品对裂片去污要求的降低可以降低处理成本。所以，这种流程设计比较合理，获得的产品能够满足防扩散要求。



　　三、后处理技术的发展趋势

　　在后处理技术发展早期，干法流程一度被认为优于水法流程，后来水法工艺PUREX流程成为后处理技术的主流，但干法工艺研究一直很活跃，特别是对于快堆乏燃料的后处理，干法工艺是一种不可或缺的技术路线。

　　从近期来说，技术上成熟的水法工艺PUREX流程是主要的前进方向，干法被认为是辅助或备用工艺。然而从较长远发展来看，对先进反应堆(液态金属快堆、气冷堆、熔盐堆等等)乏燃料的处理，倾向于干法后处理技术的利用。

　　进一步开发水法后处理工艺所追求的几个主要目标是：尽量减少待处置废物总体积和活度；回收长寿命的放射性核素供特殊的处置或嬗变；提高防扩散能力；无盐流程开发和减少循环数。

　　现有工艺的改进对工厂运行很重要。例如，英国核燃料有限公司开发的轻水堆燃料和包壳通过电解法直接溶解，为提高材料分离和纯化的效率正在进行大量的工作。日本核循环开发研究所（JNC）正在研究增加一个结晶阶段供钚分离之用。为了减少废物量，无盐试剂的使用已经得到广泛的研究，例如法国原子能委员会(CEA)对高浓度硝酸溶液催化调节脱硝作用的研究。在锕系元素分离工艺这个领域，大部分工作目前正在进行。

来源:·水木社区 newsmth.net
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王俊峰 杨掌众

　　一、概述

　　1.乏燃料管理策略

　　为了应对化石燃料的短缺和保证能源安全，核电因其清洁性和高能量密度而受到青睐，进入了一个积极发展期，由此也带来了对核电站卸下的乏燃料进行有效管理的问题。目前，对于乏燃料的管理，国际上主要有三种战略考虑：

　　其一是后处理战略。即对乏燃料中所含的96%的有用核燃料进行分离并回收利用，裂变产物和次锕系元素固化后进行深地质层处置或进行分离嬗变，这是一种闭路核燃料循环。其特点是铀资源利用率提高，减少了高放废物处置量并降低其毒性，但缺点是费用可能较高，可生产高纯度的钚，有核扩散的风险。

　　其二是一次通过战略。即乏燃料经过冷却、包装后作为废物送入深地质层处置或长期贮存，美国曾经支持此战略，但其最终处置场尤卡山项目碰到了困难，现在美国已转向了后处理。该战略特点是费用可能较低，概念简单；无高纯钚产生，核扩散风险低。但缺点是废物放射性及毒性高，延续时间长达几百万年；没有工业运行经验。

　　还有一种是观望战略，就是等等看。

　　2.后处理的优点和必要性

　　乏燃料后处理是我国早已确定的技术路线。1983年，国务院科技领导小组召开全国专家论证会，经过对我国核电发展计划、国内外铀资源情况、国内后处理工艺技术发展水平、后处理的安全性、经济性等诸多方面的充分论证，确定了“发展核电必须相应发展后处理”的战略，并在1987年日内瓦国际会议上对外公布了这一决定。

　　第一，后处理可以充分利用铀资源，保障核电可持续发展。

　　发展后处理工业是保证我国核电可持续发展的重要环节。压水堆核电站乏燃料中铀-235为0.8％～1.3％，比天然铀中的铀-235的含量0.71％还高。另外还有新生的可裂变物质钚-239。通过后处理可从乏燃料中回收有用的铀和钚，再制成UO2或MOX燃料返回热堆或快堆使用，大大提高铀资源的利用率。据专家测算，将后处理得到的铀和钚返回压水堆中使用可节省天然铀30％左右。如果能实现快堆和后处理的核燃料闭式循环，铀资源利用率可提高60倍左右，这意味着本来仅能使用50～60年的天然铀就可利用3000余年。

　　第二，后处理可以使放射性废物减容和降低毒性。

　　后处理不仅可显著地减少需长期深地质层处置的核废物体积，而且可使最终废物的放射性毒性大幅度降低。动力堆卸出的乏燃料如果按“一次通过式”处理方式进行长期深地质层处置，高放废物量约为2m3/tU。按现在国际上运行的后处理厂的水平，乏燃料经过后处理后产生的高放废物量约为0.5m3/tU，仅为前者的1/4。按照目前后处理工艺技术的水平，铀、钚的回收率可达99.75%，使最终处置废物的放射性毒性降低一个数量级以上。



　　二、各国主要后处理厂的现状

　　1．法国

　　法国现在的商业后处理厂集中在阿格中心。经过40年的发展，阿格后处理中心已成为法国最重要的商用后处理基地，也是目前世界上最大的轻水堆乏燃料后处理中心。在这里运行的UP2-800 和UP3 后处理厂总的运行能力达到1700tU/年，同时这两个厂拥有着世界大型商用后处理厂最成熟、先进的工业后处理技术。

　　UP3 和UP2-800 厂的联合工程，是欧洲最大的工程项目之一。预算500 亿法郎，耗时近20 年。UP3 与UP2-800 厂顺利运行，至今没有发生重大的事故，成为成熟商业后处理的典范。法国通过对该联合工程的巨大投入，促进了法国后处理产业和相关联的一些高科技产业的大力发展，相应的科研与技术也在世界上处于领先地位。同时，法国通过对国外客户提供后处理服务已直接获得了较好的效益。截至2005年初，阿格基地累计处理的轻水堆乏燃料量已达20500 吨，其中国内电站乏燃料10863 吨，国外为9637吨。

　　2．英国

　　英国是传统的核大国之一，其核工业的发展已经有半个多世纪的历史了，目前核电发电量约占英国总发电量的25%。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。该国镁诺克斯核电站产生的乏燃料由塞拉菲尔德镁诺克斯燃料后处理厂（B205）处理。该厂处理能力为1500 t HM/a。该国改进型气冷堆（AGR）和压水堆（PWR）卸出的乏燃料，则在塞拉菲尔德的THORP后处理厂处理，其处理能力为1200 tHM/a。该厂同时还处理来自国外客户的轻水堆乏燃料。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。THORP后处理厂在大型后处理厂的设计、建造、运行等方面都拥有独到的经验和技术，可以处理先进气冷堆和轻水堆的乏燃料。运行至2004年以来，已经累计处理了乏燃料5644吨。

　　3．日本

　　日本从1963年开始利用核能。根据电力工业委员会（政府咨询组织）所写的报告，核电生产能力将在2010年增加到70GW，每年产生的乏燃料约1000～1500tU。根据日本和英、法签定的后处理合同，1998年9月前大约有5600tU从轻水堆卸出的乏燃料通过海运到这两个国家进行后处理。1977年运行的东海村后处理厂（TPR）截至2002年底累积处理乏燃料约1009吨。

　　日本正在建造的青森县六个所后处理厂年处理能力为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，计划2006年热试。六个所后处理厂包括乏燃料接收与贮存（正在运行）、首端、主工艺和废物处置与贮存车间。主工艺使用PUREX流程，除去易裂变产物，并对铀钚进行分离纯化。六个所后处理厂于1991年施工，在1999年完成燃料接收和贮存车间的建造，现已贮存大约640吨乏燃料。2001年4月在工厂的首端厂房开始水试，2005年7月完成建造工作。其工艺厂房的设计主要引进法国的技术，也采用了英国和西德的一些技术，并尽可能地使用本国技术。全部辅助设施都使用国内技术，而且全部厂房的设备包括主工艺线也都采用本国制造的设备，以利于建立日本自己的后处理技术体系。

　　4．俄国

　　早在上世纪40年代末，苏联就开始军用堆乏燃料的后处理。第一座大型生产堆于1948年6月建成投入运行，与之配套的后处理厂在1948年底到1949年初开始投入运行。俄罗斯核电站每年卸出的乏燃料约为710tU，到2006年累计卸出的乏燃料已经超过17000tU。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400tU/年，累计处理量约为4500tU。为了处理WWER-1000型核电站的乏燃料，前苏联在上世纪70年代计划在克拉斯诺亚尔斯克地区建设处理能力为1500tU /年的RT2后处理厂。该厂建设了大约30%以后，由于各种原因， 1989年宣布无限期推迟建设。最近有相关资料报道，该厂可能于2020年建成运行。

　　5．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，同时还是世界上唯一对坎杜堆乏燃料进行后处理的国家，某些后处理技术处于世界领先地位。

　　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（PREFRE 1）于1974年投产，主要处理重水堆燃料，设计能力为100t/a，1990年实际能力达到150 t/a。计划于2005年运行PREFRE 3B后处理厂，设计能力为150t/a。卡尔帕卡姆后处理厂，原设计处理能力为100t/a，后决定扩大一倍，达200t/a。由于印度特别重视对快堆乏燃料的后处理，印?甘地原子研究中心正在建造一座快堆乏燃料后处理厂（FRFRP）。

　　6．美国

　　现在通用的后处理PUREX流程是美国率先开发出来的，美国商业后处理厂的建造起步也很早。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后处理，美国至今没有商业后处理厂运行。不过，美国后处理研究工作一直很活跃。今年2月，美国首次推翻原先制定的乏燃料“一次通过”政策，表示恢复商业乏燃料后处理，而且这种后处理技术可以防核扩散。

　　美国拟采用UREX流程，该流程的特点是采用一个水法流程，在首端将占乏燃料96%的铀与仅占4%的钚、次锕系元素和裂变产物分开。大量的铀的分离提取采用水法流程，可借鉴成熟的PUREX流程的经验，所需的分离设备很小。由于该流程分离得到的产品不是纯钚，而是钚和次锕系元素的混合物，可避免产品用于核武器制造；同时，在不影响快堆运行的情况下，产品中可含有适量的裂变产物，其放射性辐射可防止恐怖分子的接近，且随着超铀产品对裂片去污要求的降低可以降低处理成本。所以，这种流程设计比较合理，获得的产品能够满足防扩散要求。



　　三、后处理技术的发展趋势

　　在后处理技术发展早期，干法流程一度被认为优于水法流程，后来水法工艺PUREX流程成为后处理技术的主流，但干法工艺研究一直很活跃，特别是对于快堆乏燃料的后处理，干法工艺是一种不可或缺的技术路线。

　　从近期来说，技术上成熟的水法工艺PUREX流程是主要的前进方向，干法被认为是辅助或备用工艺。然而从较长远发展来看，对先进反应堆(液态金属快堆、气冷堆、熔盐堆等等)乏燃料的处理，倾向于干法后处理技术的利用。

　　进一步开发水法后处理工艺所追求的几个主要目标是：尽量减少待处置废物总体积和活度；回收长寿命的放射性核素供特殊的处置或嬗变；提高防扩散能力；无盐流程开发和减少循环数。

　　现有工艺的改进对工厂运行很重要。例如，英国核燃料有限公司开发的轻水堆燃料和包壳通过电解法直接溶解，为提高材料分离和纯化的效率正在进行大量的工作。日本核循环开发研究所（JNC）正在研究增加一个结晶阶段供钚分离之用。为了减少废物量，无盐试剂的使用已经得到广泛的研究，例如法国原子能委员会(CEA)对高浓度硝酸溶液催化调节脱硝作用的研究。在锕系元素分离工艺这个领域，大部分工作目前正在进行。

来源:·水木社区 newsmth.net
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