法國(guó)核電工業(yè)發(fā)達(dá),現(xiàn)有58臺(tái)核電機(jī)組在運(yùn)行,總裝機(jī)容量約63吉瓦,年發(fā)電量約4210億千瓦時(shí),約占全國(guó)總發(fā)電量的75%。這些核電機(jī)組在發(fā)電的同時(shí),也產(chǎn)生大量的核廢料。法國(guó)采取閉合式燃料循環(huán)政策,即對(duì)核電廠產(chǎn)生的核廢料進(jìn)行后處理,回收其包含的鈾和钚,并制成燃料繼續(xù)在反應(yīng)堆中循環(huán)使用。采取閉式燃料循環(huán)政策的國(guó)家還有日本、俄羅斯、印度等國(guó),就目前的情況看,法國(guó)的商業(yè)核廢料后處理及再循環(huán)工業(yè)是世界上規(guī)模最大、工藝最成熟、技術(shù)最先進(jìn)的。
大型商業(yè)后處理活動(dòng):不可比擬的“阿格地位”
法國(guó)先后建成過(guò)UP1、UP2和UP3三座商業(yè)后處理車間,其中位于馬庫(kù)勒?qǐng)鲋返腢P1于1958年投運(yùn),主要用于軍事目的,已于1997年關(guān)閉,UP2和UP3均位于阿格后處理廠。
經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展,阿格后處理廠如今已成為法國(guó)甚至是世界上規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)、工藝最成熟的商業(yè)輕水堆核廢料后處理基地。它不僅處理法國(guó)國(guó)內(nèi)的核廢料,還為德國(guó)、日本、意大利等國(guó)處理進(jìn)口核廢料。該廠運(yùn)行至今未發(fā)生過(guò)任何重大事故,成為成熟商業(yè)后處理的典范。該工廠目前擁有6000多名員工。
阿格后處理廠現(xiàn)有兩個(gè)后處理車間在運(yùn)行,即UP2-800和UP3,均使用成熟的PUREX工藝。UP2于1962年動(dòng)工興建,1967年1月投產(chǎn),曾處理過(guò)石墨氣冷堆、快中子堆以及輕水堆等多種堆型的核廢料,處理能力為400噸/年,但經(jīng)過(guò)改造后每年可處理800多噸輕水堆核廢料,并更名為UP2-800;UP3由7個(gè)國(guó)家(不包括法國(guó))的外國(guó)客戶共同出資興建,于1990年投入商運(yùn),額定處理能力為800噸/年。兩個(gè)車間的總處理能力約為1700噸/年,若滿負(fù)荷運(yùn)行,可承擔(dān)90~100臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組每年產(chǎn)生的核廢料的后處理任務(wù)。目前,全球的輕水堆核廢料后處理能力總計(jì)約為3000噸/年,而阿格后處理廠占到其中一半以上,可見(jiàn)其在世界核廢料后處理領(lǐng)域擁有不可比擬的地位。
在阿格工廠,后處理作業(yè)可回收99.9%的钚和鈾,僅剩下約3%的物質(zhì)成為高放廢物,經(jīng)過(guò)玻璃固化后存于現(xiàn)場(chǎng),等待最終處置。目前,阿格后處理廠的典型進(jìn)料是鈾235濃度為3.7%、燃耗為45GWd/t、冷卻4年后的壓水堆和沸水堆核廢料。
法國(guó)電力公司目前每年產(chǎn)生約1200噸核廢料,在2009年以前每年將其中的850噸運(yùn)往阿格后處理廠進(jìn)行處理,可回收約8.5噸钚和810噸堆后鈾(RepU),其中回收的钚被立即送往馬庫(kù)勒(Marcoule)工廠制造成約100噸混合氧化物燃料(MOX)。從2010年起,法國(guó)電力公司每年送至阿格后處理廠的核廢料增加到了1050噸。
在2011年之前的幾年,由于大部分海外合同到期,加之沒(méi)有簽署新合同,阿格后處理廠的實(shí)際年產(chǎn)量?jī)H為800~1000噸核廢料。2011年下半年,阿?,m集團(tuán)與國(guó)內(nèi)外企業(yè)簽訂了若干份新合同,使其實(shí)際產(chǎn)量在2012~2014年將達(dá)到1250噸,2015年以后的目標(biāo)產(chǎn)量為1500噸/年。2012年該工廠共為法國(guó)和荷蘭電力公司處理了1023噸核廢料,其中絕大部分來(lái)自法國(guó)電力公司。
阿格后處理廠自建成以來(lái),除承擔(dān)法國(guó)國(guó)內(nèi)的核廢料后處理任務(wù)之外,還承擔(dān)了大批來(lái)自德國(guó)、日本、比利時(shí)、荷蘭、瑞士等國(guó)的后處理任務(wù),獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。截至2009年年末,阿格后處理廠累計(jì)處理了約2.7萬(wàn)噸來(lái)自國(guó)內(nèi)外的輕水堆核廢料,其中相當(dāng)大一部分來(lái)自國(guó)外。從某種程度上講,在過(guò)去20年中,如果沒(méi)有外國(guó)客戶的支撐,法國(guó)商業(yè)后處理工業(yè)很難取得如此輝煌的成就。
核燃料再循環(huán):MOX燃料計(jì)劃
法國(guó)目前正在其輕水堆中使用通過(guò)核廢料后處理提取的大量堆后鈾和钚。據(jù)法國(guó)電力公司估算,其約20%的發(fā)電量來(lái)自回收材料钚和鈾。
與其他核電發(fā)達(dá)國(guó)家類似,法國(guó)最初的閉式核燃料策略是通過(guò)后處理將核廢料中包含的钚提取出來(lái),制成燃料后在快中子增殖堆中循環(huán)使用。因此,在建設(shè)大型后處理設(shè)施的同時(shí),法國(guó)于1967年投運(yùn)了實(shí)驗(yàn)快堆,1973年投運(yùn)了“鳳凰”快堆,1976年又決定建設(shè)“超鳳凰”快堆,當(dāng)時(shí)的預(yù)計(jì)是到2000年“超鳳凰”型快堆將投入大規(guī)模應(yīng)用。然而,到了上世紀(jì)80年代,石油價(jià)格下降,天然鈾價(jià)格也隨之下降,而燃料循環(huán)后段價(jià)格卻在上升,加之快堆研發(fā)挫折不斷,法國(guó)不得不調(diào)整核燃料循環(huán)戰(zhàn)略,轉(zhuǎn)向在熱堆中燃燒后處理產(chǎn)生的鈾和钚。
法國(guó)電力公司的堆后鈾在皮埃爾拉特轉(zhuǎn)化廠轉(zhuǎn)化成U3O8以便進(jìn)行中間貯存,或轉(zhuǎn)化成UF6后在皮埃爾拉特鈾濃縮廠或俄羅斯謝韋爾斯克(Seversk)鈾濃縮廠進(jìn)行再濃縮。法國(guó)每年約有500噸堆后鈾(UF6)送至俄羅斯謝韋爾斯克設(shè)施進(jìn)行再濃縮,濃縮后的UF6被送至阿?,m的羅芒工廠轉(zhuǎn)化成UO2并制成燃料組件。法國(guó)電力公司自20世紀(jì)80年代以后就在其90萬(wàn)千瓦級(jí)動(dòng)力堆中使用這種燃料。截止到2010年年底,法國(guó)電力公司的堆后鈾庫(kù)存達(dá)到2.4萬(wàn)噸,分布于4個(gè)場(chǎng)址,成為一種戰(zhàn)略資源。
法國(guó)于1987年發(fā)起輕水堆MOX(混合氧化物)燃料計(jì)劃,目標(biāo)是在其所有90萬(wàn)千瓦級(jí)核電反應(yīng)堆中使用MOX燃料,以便盡快消耗不斷增加的商業(yè)钚庫(kù)存。目前,法國(guó)電力公司共有20臺(tái)90萬(wàn)千瓦級(jí)反應(yīng)堆正在使用MOX燃料,其許可MOX裝料比例為30%,但實(shí)際用量低于這個(gè)比例,這是法國(guó)電力公司的商業(yè)钚庫(kù)存從1988年的不到1噸猛增至2005年50.9噸的原因之一。2007年法國(guó)電力公司使用的MOX燃料的最高平均钚含量從7.08%提高到8.65%。
法國(guó)共建設(shè)過(guò)3座MOX燃料制造設(shè)施,目前僅剩下梅洛克斯工廠在運(yùn)行,它也是目前全球唯一正在運(yùn)行的商業(yè)規(guī)模MOX燃料制造設(shè)施。該廠于1990年動(dòng)工興建,1995年投運(yùn),1997年產(chǎn)能達(dá)到100噸/年。2003年該廠的許可產(chǎn)能從145噸/年提高到195噸/年。截止到2008年年末,阿?,m持有30噸/年的MOX燃料出口合同,主要來(lái)自日本和德國(guó)。
2008年年底,阿?,m和法國(guó)電力公司宣布把核廢料后處理和再循環(huán)協(xié)議延長(zhǎng)到2040年,從而確保阿格后處理廠和梅洛克斯MOX燃料制造廠可以得到持續(xù)發(fā)展。為此,阿?,m打算到2015年將阿格工廠的實(shí)際后處理產(chǎn)能提高到1500噸/年。這使法國(guó)電力公司每年送至阿格后處理廠進(jìn)行處理的核廢料從2010年起可增加到1050噸,梅洛克斯工廠的MOX燃料年產(chǎn)量從100噸增加到120噸。該協(xié)議還意味著法國(guó)電力公司將循環(huán)使用乏MOX燃料。
使用后的乏MOX燃料和乏堆后鈾目前被臨時(shí)貯存起來(lái),等待未來(lái)各種條件成熟之時(shí)再進(jìn)行后處理,然后在第四代核能系統(tǒng)中使用提取出來(lái)的钚。
新型后處理技術(shù)的開(kāi)發(fā):為第四代核能系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用做技術(shù)準(zhǔn)備
法國(guó)目前正在研究和開(kāi)發(fā)3種先進(jìn)的后處理流程,分別是COEX、DIAMEX-SANEX和GANEX。其中,COEX流程已經(jīng)比較成熟。
阿?,m于2007年完成“一體化再循環(huán)工廠”的設(shè)計(jì),并計(jì)劃于2020年采用COEX流程建成第三代后處理廠。COEX流程屬于第三代后處理技術(shù),可將鈾、钚(通常還有镎)共同提取出來(lái)并提取出純鈾。
DIAMEX-SANEX流程可選擇性地把長(zhǎng)壽命放射性核素(重點(diǎn)是镅和鋦的分離)與短壽命裂變產(chǎn)物分開(kāi)。該流程可與COEX(在鈾、钚、镎分離之后)聯(lián)合使用。鈾-钚和次錒系元素可在快堆中循環(huán)使用。
GANEX流程可使钚和鈾共沉淀(和COEX流程一樣),然后使次錒系元素和一些鑭系元素與短壽命裂變產(chǎn)物分離。鈾、钚和次錒系元素共同成為快堆燃料,鑭系元素成為廢物。作為法國(guó)-日本-美國(guó)全球錒系元素循環(huán)國(guó)際論證計(jì)劃(GACID)的一部分,這種流程從2008年起開(kāi)始進(jìn)行示范論證。目前,示范工作預(yù)計(jì)已經(jīng)完成,正在制造燃料元件。從2020年起,燃料組件將被裝入日本文殊快堆進(jìn)行輻照測(cè)試。
為了論證這些技術(shù)的工業(yè)可行性,法國(guó)可能會(huì)建造兩座中試廠。一座可能基于COEX流程,旨在為法國(guó)原子能和替代能源委員會(huì)擬于2020年建成的第四代核能系統(tǒng)(快堆)制造驅(qū)動(dòng)燃料。另一座用于制造含有次錒系元素的燃料組件,以便在快堆上進(jìn)行輻照測(cè)試。法國(guó)的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是到2040年左右為第四代核能系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用做好技術(shù)準(zhǔn)備,屆時(shí)阿格后處理廠將被新的一體化核燃料循環(huán)設(shè)施所取代。
技術(shù)輸出:將后處理技術(shù)推向國(guó)際市場(chǎng)
法國(guó)不僅在國(guó)內(nèi)從事核廢料后處理技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用活動(dòng),還努力將其先進(jìn)的后處理技術(shù)推向國(guó)際市場(chǎng)。
日本的六所村商業(yè)后處理廠就是以阿格后處理廠的UP3車間為模板建造,兼顧英國(guó)和德國(guó)的一些技術(shù),并且盡可能多地使用本國(guó)技術(shù)設(shè)備,以利于日本將來(lái)建設(shè)自己的后處理設(shè)施。該廠的設(shè)計(jì)年處理能力為800噸,于1991年開(kāi)工建設(shè),目前正處于最后的測(cè)試階段,預(yù)計(jì)于2013年10月正式投運(yùn)。
此外,近幾年來(lái)美國(guó)也對(duì)法國(guó)后處理技術(shù)表現(xiàn)出興趣。對(duì)此,阿?,m積極響應(yīng),向美國(guó)政府建議耗資兩百多億美元,采用法國(guó)的成熟技術(shù),建設(shè)一座產(chǎn)能為2500噸/年的核廢料后處理廠和一座MOX燃料制造廠。目前,阿?,m已經(jīng)與美國(guó)杜克能源公司建立聯(lián)盟,準(zhǔn)備向美國(guó)能源部提交建設(shè)MOX燃料制造廠的申請(qǐng)。
各國(guó)核廢料后處理新動(dòng)向
英國(guó)
英國(guó)一直堅(jiān)持核廢料后處理政策,在后處理、核廢物管理與處置、核退役等方面都擁有一定的工業(yè)基礎(chǔ)和技術(shù)。英國(guó)的后處理廠主要在塞拉菲爾德與唐瑞這兩個(gè)基地。塞拉菲爾德是目前英國(guó)最大的核基地。塞拉菲爾德的THORP后處理廠于1974年提出建設(shè)構(gòu)想,經(jīng)過(guò)20多年的努力,于1992年完工,1994年開(kāi)始剪切輻照燃料試運(yùn)行,1997年獲得英國(guó)核設(shè)施檢察局(NII)頒發(fā)的運(yùn)行許可證。
據(jù)2013年1月的消息稱,英國(guó)電網(wǎng)公司旗下的SizewellB核電站已開(kāi)始實(shí)施一項(xiàng)為期兩年的項(xiàng)目,建造一座干法核廢料貯存庫(kù),該設(shè)施將在2015年投入使用,屆時(shí)該電站核廢料貯存池達(dá)到設(shè)計(jì)容量。從2015年起,新的干法核廢料貯存庫(kù)將貯存核電站壽期內(nèi)的核廢料,直到深地質(zhì)處置設(shè)施可用。雖然世界很多地方都在使用核廢料干法貯存,但SizewellB是英國(guó)的第一座貯存設(shè)施,該設(shè)施預(yù)計(jì)在2035年停止運(yùn)行。
日本
1977年,日本運(yùn)行了東海村后處理廠(TPR),目前已完成熱試。位于青森縣的新的后處理廠六個(gè)所,年處理能力為800噸鈾,其水池貯存能力為3000噸,并能貯存從英國(guó)和法國(guó)后處理廠返回日本的放射性廢物,六個(gè)所后處理廠包括核廢料接收與貯存、首端、主工藝和廢物處置與貯存車間。
據(jù)2013年1月7日的消息稱,日本政府正在考慮為韓國(guó)、越南和其他亞洲國(guó)家后處理核廢料棒。日本雖然沒(méi)有核武器、卻擁有后處理核廢料棒的設(shè)施、能夠生產(chǎn)武器級(jí)钚的國(guó)家。允許日本后處理核廢料棒的日美雙邊核能協(xié)定將在2018年到期,美國(guó)可能堅(jiān)持修改協(xié)議,進(jìn)一步限制日本后處理能力。
俄羅斯
于1976年4月投入試運(yùn)行的RT1后處理廠是目前俄羅斯仍在運(yùn)行的后處理廠,年處理能力為400噸/年。2011年12月,俄羅斯新的一個(gè)核廢料貯存設(shè)施在東西伯利亞投運(yùn),據(jù)介紹,隨著核廢料后處理設(shè)施的運(yùn)行,俄羅斯核電廠95%的核廢料都可以回到核燃料循環(huán)中。
此外,今年2月,俄羅斯國(guó)家核能公司Rosatom宣布,位于熱列茲諾戈?duì)査箍说暮藦U料再處理示范廠已啟動(dòng)招標(biāo)工作。根據(jù)招標(biāo)文件的條款,核廢料再處理廠必須在2015年12月10日前投入運(yùn)行,試點(diǎn)示范中心初期將用于開(kāi)發(fā)和測(cè)試VVER-1000反應(yīng)堆核廢料再處理的新技術(shù),預(yù)計(jì)后期可開(kāi)發(fā)快堆核廢料再處理技術(shù)。
印度
印度是繼美、法之后建成水法PUREX后處理流程的第三個(gè)國(guó)家,也是目前繼英、法之后第三個(gè)運(yùn)行商業(yè)后處理廠的國(guó)家。印度在上世紀(jì)50年代就開(kāi)始后處理技術(shù)的研究,最早的特朗貝中試廠于1964年投運(yùn),采用了通用的PUREX流程,經(jīng)過(guò)改進(jìn),其年處理能力從30噸擴(kuò)大到60噸。在特朗貝中試廠成功運(yùn)行后,印度先后又建成了塔拉普爾和卡爾帕卡姆兩座后處理廠,塔拉普爾后處理廠(PREFRE1)于1974年投產(chǎn),主要處理重水堆燃料,設(shè)計(jì)能力為100噸/年,1990年實(shí)際能力達(dá)到150噸/年。
2011年1月,印度新落成一個(gè)后處理廠,位于印度塔拉普爾(Tarapur),其將從核廢料中提取出供快堆使用的鈾和钚。
美國(guó)
美國(guó)是最早建成軍用和商用后處理廠的國(guó)家,在上世紀(jì)70年代初建成了處理能力為1500噸/年的商用后處理廠,現(xiàn)在通用的后處理PUREX流程是美國(guó)率先開(kāi)發(fā)出來(lái)的。但是,1977年卡特政府宣布無(wú)限期推遲商業(yè)后處理政策,后來(lái)雖然里根政府表示采取積極步驟支持商業(yè)后處理,但美國(guó)至今沒(méi)有商業(yè)后處理廠運(yùn)行。然而,美國(guó)的商用后處理廠雖叫停,后處理技術(shù)的研發(fā)卻并未停止,在全球后處理廠的技術(shù)研發(fā)市場(chǎng)上,美國(guó)仍具有強(qiáng)大的話語(yǔ)權(quán)。
據(jù)美國(guó)能源部報(bào)道,在2014財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)?jiān)黾?000萬(wàn)美元用于推動(dòng)核廢物管理計(jì)劃,以便找到核廢料的解決方案。
美國(guó)能源部計(jì)劃在今后5年向電力研究所領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目投入1580萬(wàn)美元,電力研究所的項(xiàng)目包括設(shè)計(jì)和驗(yàn)證從商業(yè)核電廠取出的高燃耗核廢料的干法貯存罐技術(shù)。年初,DOE發(fā)布了管理處置核廢料及高放廢物的戰(zhàn)略,該戰(zhàn)略要求到2021年建立一個(gè)暫時(shí)貯存中試設(shè)施,主要接收關(guān)閉反應(yīng)堆場(chǎng)址的核廢料,以及到2025年建立一個(gè)較大的暫時(shí)貯存設(shè)施。DOE的計(jì)劃要求到2048年建立一個(gè)地質(zhì)處置庫(kù)。來(lái)源:北極星核電網(wǎng)