半衰期达数百万年 核电站核废料处理成难题

在火电厂，烧掉一堆煤，留下煤渣。而在核电厂，核燃料经过缓慢裂变反应后，卸出乏燃料

在火电厂，烧掉一堆煤，留下煤渣。而在核电厂，核燃料经过缓慢裂变反应后，卸出乏燃料。

就像火电厂要不断加煤，当核燃料维持不了一定功率时就需要被更换，这类从反应堆内卸出的核燃料就叫做乏燃料。但“乏”并不等于一无是处，不同于燃煤之后留下的煤渣，乏燃料里仍蕴藏有大量宝贝。将其中高达96%左右未经燃烧的铀和新产生的核燃料提取出来，就能重新制成核电站发电所需的燃料元件。

储存乏燃料的乏燃料水池

对于即将迎来核电快速增长的中国而言，这种铀资源循环利用的方式，将在很大程度上解“核燃料”之渴。据国际原子能机构（IAEA）估计，中国有120万-170万吨潜在铀资源，目前探明铀资源储量约17万吨。随着核电机组的增加，中国对铀资源的需求也越来越大。中核集团地矿事业部统计数据显示，到2020年，中国预计将出现高达2600吨的天然铀供应缺口，到2030年，这一数值将攀升至10900吨。对全球而言，天然铀同样处于供不应求状态。

无论从提高铀资源利用率、保障核能长远发展角度，还是从减少核废料角度而言，乏燃料后处理都是核燃料循环中极其关键的环节。但在巨大的核能发展需求面前，中国的后处理能力正亟待升级。

乏燃料中榨“铀”

根据放射性的不同，核废物分为高放废物和中低放废物。其中，乏燃料具有极高放射性，核电站使用过的工作服、手套、废弃退役的仪器设备等则属于中低放废物。

对中低放废物，中国已经有了较为成熟的处置技术，不论是固体核废料还是液体核废料，都先进行固化处理，然后装进200升的不锈钢桶，放在近地表的处置库。目前，中国已建成了两个中低放废物处置场：位于甘肃玉门的西北处置场及位于广东北龙的华南处置场。

高放废物的处置则是一个世界性难题。

一座百万千瓦的火电厂，每年要烧掉约330万吨煤，但同样容量的核电站，一年只用30吨核燃料，且在成为乏燃料后，重量变化并不大。以百万千瓦压水堆核电站为例，每年产生核乏燃料为25-30吨。

乏燃料中的众多放射性元素都拥有数以万年计的半衰期，长的约为210万年，短的也有近500年。在送至处置库之前，乏燃料将暂时存放在核电站特殊的硼水池中。

目前国际上通行的乏燃料方式有两种：一种是以美国为代表的“一次通过”开放核燃料循环方式，乏燃料经过冷却、包装后作为废物送到深地质层处置或长期贮存；而在英法中等国采取的闭式循环中，乏燃料在核电站乏燃料水池中贮存5-8年后，运至后处理厂进行后处理。在后处理环节，乏燃料被切成小块，扔进酸里溶解，提取出有用的铀和钚重新作为燃料循环使用，剩下的废液交由玻璃固化厂进行固化，再装进特制的废物罐中，运送到永久性处置场封存。

核燃料循环示意图。除坚定走一次通过与闭式循环道路的国家外，也有的国家选择先将乏燃料临时贮存。

通常来讲，压水堆核电站铀资源的利用率仅为0.6%左右，如果对乏燃料进行后处理，用“榨”出来的铀在压水中再循环一次，可节省天然铀25%；若如此多次循环，则铀资源的利用率可以达到1%；

若将后处理得到的钚与铀富集后剩下的贫铀制成快堆燃料，则铀资源的利用率可以达到60%到70%。

中国原子能科学研究院科技委原副主任顾忠茂曾在2011年撰文指出，即使按照全世界当时的核电站乏燃料卸出量（约1万吨/年）估算，“一次通过”循环方式需要全世界每6-7年就建造一座规模相当于美国尤卡山库（设计库容7万吨）的地质处置库。只要全世界核电装机容量增加1倍，则就需每3-4年左右建设一座地质处置库，这显然是难以承受的负担。

而且，乏燃料中包含了所有放射性核素发热源，单位体积废物所需的处置空间大。

相比之下，以百万千瓦压水堆核电站每年产生30吨乏燃料计算，若对其进行后处理，则其高放废物可以浓缩在玻璃体中，放射性水平也将大大降低，比较“顽固”的长寿命放射性核素减少。

最薄弱的环节

对于后处理的建设，一位日本专家曾打过这样的比喻：现在很多国家都在建核电站，就好像吃东西一样，大家现在都吃最好的一段，但是对乏燃料后处理考虑不够，这样发展下去的话核电将不能可持续发展。

对于全球核电在建规模稳居世界第一的中国而言，这种核电站建设与后处理发展之间的脱钩情形尤为凸显。截至目前，中国在建核电机组共26台，投入商业运行的核电机组共25台，在运总装机容量23.57GW（额定装机容量，1GW=1000MW，1MW=1000KW，1KW=1000W），且拥有2020年核电装机容量达到58GW、在建容量达到30GW以上的核电发展蓝图。

随着核电机组的陆续建成和投运，乏燃料的产生量和累积量将呈逐年上升趋势。相关统计数据显示，到2015年中国乏燃料产生量累计可达3500吨，到2020年将达到10000吨左右。

目前，中国尚未建成商用大型乏燃料后处理厂，国内首座、同时也是唯一一座动力堆乏燃料后处理中间试验工厂就建在位于甘肃的中核404厂，中试工程年处理能力远远不能满足中国乏核燃料后处理的需求。乏燃料后处理/再循环成为中国核燃料循环中最薄弱的环节。

法国是核燃料循环后端产业的先行者，拥有世界上规模最大、工艺最成熟、技术最先进的商业乏燃料后处理及再循环工业，年处理能力达1600吨，不仅满足国内需求，同时能够为日本、西班牙、瑞典等他国提供服务。

美国虽出于防核扩散原因停止了商业后处理活动，但从未停止过后处理技术的研发。

印度在上世纪50年代就开始后处理技术的研究，是继英、法、俄罗斯之后第四个运行商业后处理厂的国家，其钍燃料闭式循环路线与快堆乏燃料后处理技术均处于较先进水平。

中国的商用后处理大厂建设之所以紧迫，不仅是出于巨大的现实需求，从长远看，还源自中国核电发展“压水堆-快堆-聚变堆”三步走发展战略。快堆所使用的燃料首先必须要从压水堆乏燃料中提取而得，没有后处理大厂，快堆将成为一座“孤岛”，快堆运行将面临“无米之炊”的尴尬。后处理大厂的设计与建设是一项难度很大的复杂系统工程，时间跨度达15年甚至更久。

“在快堆核能系统中，快堆好比心脏，核燃料循环好比动脉。”中国原子能科学研究院科技委原副主任顾忠茂曾表示，“如果后处理的能力上不去，那么快堆的规模也就上不去。”

两条腿走路

迫切形势下，中国的自主开发与引进国外先进后处理厂技术正在同步推进。

前述中核404后处理中试厂，于2010年12月21日取得热调试成功，标志着中国已掌握了动力堆乏燃料后处理技术。

因此，这座中试厂的意义就在于：打通核电站后处理的工艺流程；检验、验证设备、仪器、仪表的可靠性和安全性；为将来商业规模更大的后处理厂积累设计经验、运行经验、建造经验。

从某种意义上而言，中核404中试厂的热调试成功也提高了中国在引进国外后处理技术时的议价能力，增加了谈判筹码。

在去年5月的一场答记者问中，国防科技工业局副局长、国家原子能机构副主任王毅韧曾对中国的乏燃料后处理能力建设路径给出清晰界定：一是继续对中试厂进行完善配套，将中试厂建成为综合科研实验平台，形成连续处理能力，初步打通核燃料闭合循环之路。二是在后处理中试厂的基础上，开展科研攻关，优化主工艺，放大关键设备，具备自主设计、自主建造、自主营运乏燃料后处理示范工厂的能力，依靠自主技术建设工业规模后处理工程。三是积极开展国际合作，坚持以我为主，中外合作开展商业规模后处理大厂建设。

关键词即为：自主开发、中外合作，两条腿走路。

在中核集团2012年底发布的“龙腾2020”科技创新计划中，具有自主知识产权的200吨大型商用乏燃料后处理示范工程被纳入首批8个科技创新示范工程之中。

2013年，中核集团与世界核燃料循环后端的龙头企业、法国阿海珐集团签署了大型商业后处理-再循环工厂项目合作意向书，该后处理大厂项目将采用国际先进后处理再循环技术进行建设。2030年投运后，具备年800吨乏燃料后处理能力。

今年6月底，在中法两国总理共同见证下，中核集团总经理钱智民与阿海珐集团首席执行官顾菲（Philippe Knoche）在巴黎签署了《中国核工业集团公司与阿海珐集团关于后处理/再循环工厂项目合同商务谈判工作路线图的谅解备忘录》。