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世界核燃料循环产业现状(二) ——核燃料循环后端产业能力有待提高


国际上根据采取的核燃料循环后段技术,核燃料循环分为闭式核燃料循环和“一次通过”式核燃料循环两种技术路线。闭式核燃料循环是指回收乏燃料中的铀、钚等易裂变材料以及可以利用的次锕系元素等物质,易裂变材料再加工制造成核燃料组件,其他放射性核素作为废物最终处置;“一次通过”式核燃料循环是指将乏燃料作为放射性废物直接最终处置。

采取“一次通过”式技术路线的国家有瑞典、加拿大、西班牙和美国;采取闭式循环技术路线的国家,除中国外,还有法国、英国、俄罗斯、日本和印度。

然而,现在世界上的大多数乏燃料并没有采用这两种处理方式,而是处于暂存的状态,分为在堆贮存和离堆贮存两种。据统计,目前全球累计卸出乏燃料约35万t,其中1/3被后处理,2/3暂存在在堆水池、离堆水池或离堆干式乏燃料贮存设施中,并且以每年1.05万t的速度增加,预计到2020年全球乏燃料量将达到44.5万t。


1 乏燃料贮存

至今,全世界大部分核电站都已经运行超过20年,大部分核电站卸出的乏燃料数量都已经接近或超过核电厂内的在堆贮存水池贮存容量,面临着乏燃料的去向问题。很多国家和地区都兴建乏燃料离堆贮存设施,离堆贮存设施有湿式贮存设施和干式贮存设施。目前全球乏燃料离堆湿式贮存设施数量为30,设计容量共为55627t,已贮存34267t。全球乏燃料离堆干式贮存设施数量为85,设计容量共为74785t,已贮存37870t。

值得注意的是,各地区近十年建设的离堆乏燃料贮存设施中,总容量约为2.4万t,其中有1.75万t是干式贮存,这表明了离堆乏燃料干式贮存应用越来越广,逐步取代湿法贮存的主导地位。尤其是2011年3月福岛事件后,乏燃料干式贮存的应用得到进一步推广,出现了乏燃料贮存方式由湿式贮存向干式贮存的转移现象(伊利诺斯州的拉萨尔核电厂)。


2 乏燃料后处理

全世界掌握乏燃料后处理技术的国家有9个:美国、英国、法国、比利时、印度、德国、日本、俄罗斯、中国(都与上世纪70年代的快堆计划相关)。

法国、英国、印度和俄罗斯正在运营商用后处理厂。法国、英国和俄罗斯还对其它国家的乏燃料进行后处理,目前大多数国际合同已到期,他们主要处理本国的乏燃料。日本以前绝大部分乏燃料运输到欧洲由英、法进行后处理,从2005年起后处理工作全部在国内进行。

法国拥有世界上最大的轻水堆乏燃料后处理能力设施,即由AREVA公司运营的UP2-800和UP3-800工厂。来自七个国家的电力公司都将乏燃料送往La Hague公司进行后处理。

英国的两个核燃料后处理厂都在塞拉菲尔德。

俄罗斯唯一的后处理厂是由玛雅克化学联合体经营的RT-1厂。

印度目前有三个后处理厂正常运行。为了紧跟钚需求的步伐,建立更多工厂被提上日程。

在日本,东海村工厂的设计年处理能力为270吨,但其每年仅处理大概10吨。该工厂1971年动工建设,1981年正式运转,迄今为止对日本各电力公司的约1100吨乏燃料进行了后处理。2014年9月,日本原子能开发机构宣布,由于要满足新安全标准所需投资过大,决定废弃东海村后处理设施。日本核燃料有限公司(JNFL)拥有并经营六个所村商业后处理厂,该工厂的设计年处理能力为800吨,计划定于2007年8月开始商业运营,但是最终被延迟。福岛核事故后该工厂的正式运营又一再被延迟。

美国2006年提出了全球核能合作伙伴(GNEP)计划,决定恢复包括后处理和快堆在内的核燃料闭式循环方案。然而,尽管21个国家已签署了这份协议,该协议却受到越来越严格的审查。美国国会削减了该项目的资金,能源部也推迟了该计划的实施。


3 MOX元件

各国对轻水堆核电站使用MOX燃料采取不同的战略:法国和日本坚持在快中子堆使用MOX燃料,之前也在轻水堆使用MOX燃料;美国迄今是直接地质储存处置乏燃料,不在现有轻水堆中使用MOX燃料,但为了处理冷战时期遗留的武器级钚,已决定将其制成MOX燃料,放入核电站中使用。俄罗斯决定只在快堆上使用MOX燃料。


4 放射性废物最终处置

人们普遍认为深地质层处置是乏燃料和后处理残留的高放废物的终点。尽管目前芬兰和瑞典已经对地质处置做了巨大努力,但是目前并没有地质处置场在运行。

2012年,NEA成员国在废物管理领域投入了大量精力,很多国家建立或升版了其放射性废物管理计划,同时提高了决策过程的透明度和公众的参与度。瑞典、芬兰提出了申请乏燃料/高放废物处置项目,瑞士的放射性废物深层处置选址进入第二阶段,加拿大、英国、捷克等国内都就乏燃料处置进行了探讨,德国在持续探讨是否重启高放废物地质处置的选址工作,日本的高放废物管理项目由于福岛事故推迟,其它废物管理项目未受影响。高放废物的地质处置库选址、设计、建造面临种种困难,尤其是公众接受方面的困难是有关国家最终处置策略进展缓慢的主要原因。

芬兰是目前世界上唯一经过批准,计划建立地质处置库的国家,地质库的费用包含在核电电价中。地质处置库目前正在Eurajoki市的Olkiluoto选址和开发。

瑞典也在为建设和运行国家的高放废物处置库而努力。地质库的项目正在顺利进行,重要的是已有一个地质库以及一个乏燃料中央临时贮存库正在贮存核电站的废物。瑞典的核电公司组成了一个合营公司――瑞典核燃料和废物治理公司(SKB),该公司对全国各地深地质库选址的八个站点进行了调查,最终将选址目标缩定在两个站点。2009年6月,SKB选定Forsmark作为地质库的厂址。如果申请获得批准,SKB将于2017年开始地质库的建设。

在美国,2008年6月,美国能源部(DOE)提交了地质库建设许可的申请。2010年初,奥巴马宣布了蓝带委员会的成立,研究所有能够代替尤卡山地质库的替代物。蓝带委员会于2011年夏天向美国能源部和美国国会提交草案,建议包括一个或多个中央临时贮存设施,延长干式贮存期和对先进后处理技术的进一步研究。由于美国乏燃料管理政策的不确定性,预计在堆干式贮存以及一个或更多区域的临时集中贮存设施将成为今后几十年乏燃料管理首选的方案。

目前,世界上对乏燃料进行后处理的国家有:比利时、中国、法国、印度、日本、俄罗斯、瑞士和英国;对乏燃料进行直接处置的国家有:加拿大、芬兰、德国(由后处理转为直接处置)、韩国、西班牙、瑞典和美国(存在不确定性)。


5 放射性废物处理

放射性废物产生后首先要进行预处理,包括收集、分类、化学调节和去污。处理工艺包括减容、放射性核素去除和改变成分等相关活动。整备是将废物进行转型后适于处理、转运、贮存和处置的一种操作。处置是最后一步,就是将整备后的废物放置于处置设施中。

尽管世界上多数放射性废物处置场都由政府或国有企业操纵,但是一部分企业还是商业性企业。世界上主要的放射性废物处理处置核工厂如下:

Energy Solutions,总部在美国犹他州盐湖市。提供的服务包括放射性废物处理、加工和处置,主要核部件(反应堆压力容器、蒸汽发生器等)的运输;退役以及乏燃料管理。为了进行放射性废物管理、处置,该公司在南卡罗莱纳州、田纳西州和犹他州都有核设施。目前参与的主要工程有汉福特环境整治工程、犹他州Atlas 矿渣整治工程、橡树岭国家实验室(ORNL)危险材料管理。

Studsvik,提供包括废物处理、退役以及工程服务。在废物管理方面,Studsvik在瑞典和美国有3个废物管理设施。

加拿大原子能有限公司(AECL),经营加拿大核燃料废物管理工程,并运营一个独立的废物处置设施。该公司利用已掌握的核废物管理、封堵和贮存方面的知识,建造MACSTOR干桶燃料贮存系统。2004年,AECL开展了燃料封装和贮存工程(FPS),在加拿大这是一个安全贮存设施。FPS处置场可以容纳22t乏燃料和封装的核废物。

比利时放射性废物和富集型裂变材料机构(ONDRAF/NIRAS),创建于1980年,是一个公共机构,主管放射性废物管理工作。

韩国水电核电公司(KHNP),在核能环境技术研究所(NETEC)的帮助下处理放射性核废物,在韩国唯一进行核废物处置。KHNP积极创新一种既节省空间又安全贮存和压缩放射性废物的方法。实施新的封堵、压缩和固化试验使得这一创新有可能成功。KHNP还积极开拓物料焚烧,认为这是一种安全方法,降解可燃物、不燃物、辐照过的动物尸体以及液态物质。

拉格拉国企合营放射性废物处置公司,1972年创建于瑞士,由核电厂运营。拉格拉还负责瑞典所有放射性废物盘存量清点的前期准备工作,安全处置各类放射性废物所需的地质处置场的规划,确认和调查潜在的场址区域,进行地质处置安全评估准备工作。

核废物管理组织(COVRA),创建于19世纪80年代,管理荷兰产生的所有放射性废物。COVRA在工业区Vlissingen-Oost运营一个核设施,任务主要有:收集和运输放射性废物,贮存低中高放废物以及监测和控制所有贮存的放射性废物。

西班牙放射性废物国家管理公司(ENRESA),于1984年由政府创建,主要任务包括放射性废物的处理与整备,放射性废物处置设施的设计、建造与运营,以及放射性废物的分离、转型与转运系统的建立。

RosRAO,是俄罗斯的一个实体公司,于2008年合并了俄罗斯之前以松散组织形式存在的16个放射性废物贮存厂,即Radon组织。RosRAO负责以中央的身份收集、分离低中放废物,并进行运输、整备和长期贮存;负责废物处置规划,并研发创新技术进行处理;负责最终隔离处置场的设计和建造以及贮存场址的运营等。

日本核燃料有限公司(JNFL),参与了铀浓缩、乏燃料后处理、低放废物处置以及MOX燃料生产等活动。该公司在日本北部地区青森县六个所村运营一个大型商用核燃料循环设施。

法国放射性废物国家管理局(ANDRA),主要负责法国放射性废物的长期管理。ANDRA运营5个场址,主要负责放射性废物处置设施的运营与监测,新设施的设计与建造,依据安全标准制定放射性废物管理规范。

瓦利公司(Valhi),总部设在美国,是一个控股公司,通过子公司实现运营。废物管理专家公司是该公司的全资附属公司之一,LLC(WCS)在西部得克萨斯州拥有并运营一个集放射性废物处理、贮存、处置于一体的核设施。

石川岛重工业株式会社(IHI),总部设在东京,下辖分点遍布欧洲、美洲、大洋洲、亚洲、中东和非洲。该公司能源系统部可以提供玻璃固化技术等放射性废物管理服务。

巴布考克国际集团公共有限公司(PLC),总部设在英国,收购了国际核方案公司(INS)。提供的服务包括燃料供应计划,燃料处理,废物和核材料预处理、处理和贮存,以及乏燃料和外来核废料的临时贮存及长期贮存。


6 核设施去污和退役

全球民用核设施和场址的退役是核燃料循环供应链上的一个重要环节。

反应堆退役有三种方案得到普遍认同,即去污方案、安全贮存方案和埋藏方案。

全球范围内数个公司专门从事该市场所需工艺的某些方面的研究,这些公司在一个项目上是竞争者,但随后在另一个项目上又是合作者,竞争与合作并存。因此,退役服务市场不适合以任何一种准确的市场份额评价。

AREVA公司,目前最大的客户是法国电力公司(EDF),为法国所有核电设施提供尾端和D&D需求服务。

AMEC是英国的一个能源公司,总部设在伦敦。该公司为核电运行、废物管理和退役提供咨询和工程管理,在英国、加拿大、东欧和西欧有大量核电厂退役工作。目前,该公司参与了立陶宛伊格纳林纳核电站设施的退役工程。伊格纳林纳合同是目前世界上最大的退役合同,估算资金为20亿欧元。

CH2M HILL是规模较大的环境工程公司。CH2M HILL已经进行了从核反应堆解构到高放废物处置以及核武器设施的管理方面各类的去污和退役活动。该公司参与的工程有美国能源部(DOE)洛基弗拉茨工厂的关闭,DOE萨凡纳河场址、缅因州杨基核电厂等。

Costain是英国一家大型民用工程公司。目前,该公司参与的工程有Winfrith Dragon 反应堆内部和外部封堵区域的退役。该反应堆是英国西南部的气冷实验堆。

Doosan Babcock,总部设在英国西萨塞克斯,是核工业一家工程承包商和项目综合商。该公司为英国核工业最大的运行服务商,目前在塞拉菲尔德开发WVP残渣倒出设施,供高放废物固化使用。

EnergySolutions致力于低放废物场址的去污与退役。该公司最值得关注的项目是目前在华盛顿进行的前汉福特钚生产综合企业的去污与退役工作。EnergySolutions 创建了一个全资附属公司――ZionSolutions(ZS),目的是加速Exelon’s Zion核电站的退役。

合乐集团公司(Halcrow Group Ltd)是一家全规模工程公司,总部在英国伦敦。Halcrow完成了Dounreay 快堆的去污与退役。

雅各布斯工程集团(Jacobs Engineering Group),一直与美国能源部(DOE)和国防部关系良好,还与英国政府、英国核能集团建立了牢固关系,完成了英国Magnox反应堆去污与退役的许多工作。Jacobs参与的重大工程之一是俄亥俄州的弗纳尔德铀处理设施,完成了去污与退役工作和核武器级铀处理设施的全部关闭工作。

德国NUKEM技术公司是JSC Atomstroyexport(ASE)的全资附属公司。Atomstroyexport是俄罗斯主要的反应堆建设和服务出口公司。NUKEM的服务主要在欧洲大陆。

SERCO是一个服务公司,总部设在英格兰北部。该公司在核工业的诸多经验源于与英国原子武器院(AWE)的业务往来。SERCO负责AWE核设施所有高放废物的去污。SERCO不涉足商用核电厂的去污与退役。

邵氏集团(The Shaw Group),涉及新电厂的设计与建造、电厂运营和维护、电厂去污与退役以及其它方面。

华盛顿国际集团(Washington Group International (URS))是美国最有威望的工程公司之一。华盛顿国际集团于2007年被URS公司兼并,现在是URS在华盛顿的分公司。华盛顿集团不仅从事去污与退役,还管理和运营DOE旗下众多核设施数年,诸如萨凡纳河场址和洛斯阿拉莫斯国家实验室。该集团完成了美国核工业历史上去污与退役方面的一些大型工程,参与了1982年在西谷进行的高放核废物玻璃固化验证工程,这是第一个核废物处理工程。WGI目前运营美国一个深地质废物库——新墨西哥州卡尔斯巴德附近的废物隔离中间试验工程。

以上是全球主要退役公司。随着过去数年内退役经验的增长,熟练劳动力增加了,策划和处理方法也改进了,还研发了新设备。预计这一趋势会继续增加,经验也会继续增长,设施退役所需的服务也会满足可预见未来的需求。


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