我國乏燃料后處理技術在早期軍工時期有較好的基礎和積累，但由于多種原因，后處理科研經(jīng)歷了較長時間的停滯，目前技術已明顯落后于國際水平。

　　核電站卸出乏燃料的安全管理直接影響核電的可持續(xù)發(fā)展。目前國際上對乏燃料的管理方式有三種，第一種是以法國和日本為代表的閉式燃料循環(huán)，通過后處理回收乏燃料中有價值的鈾钚等可裂變核素進行循環(huán)利用，第二種是以瑞典和芬蘭為代表的“一次通過”，將乏燃料視為放射性廢物直接深地質(zhì)處置，第三種是暫存，視未來技術發(fā)展情況再作決定，美國因為地質(zhì)處置庫幾十年來難以推進，目前已將中短期乏燃料管理政策調(diào)整為中間暫存。

　　在人類和平利用核能之初，發(fā)展閉式燃料循環(huán)就幾乎同步被提上了議程，主要初衷有兩點，一是地球上的鈾資源有限，理想的多次閉式燃料循環(huán)可大大降低對鈾資源的依賴，甚至將核能變成近乎完美的“可再生能源”;二是降低高放射性廢物的體積和壽命，后處理技術發(fā)展至今仍無法實現(xiàn)這一目標，目前的乏燃料后處理技術只能降低高放廢物的體積，卻無法減少廢物的壽命，后者必須通過對乏燃料中次錒系元素(Minor Actinides)和長壽命裂變產(chǎn)物(Long Lived Fission Products)進一步分離和嬗變方可實現(xiàn)。

　　經(jīng)過六十多年的發(fā)展，美國、法國、日本等核強國的快堆發(fā)展計劃先后受挫，快堆商業(yè)化進程不斷延后，分離嬗變技術進展緩慢，實現(xiàn)多次循環(huán)且大幅降低高放廢物危害的理想閉式燃料循環(huán)仍面臨諸多技術和經(jīng)濟難題。

　　從國際經(jīng)驗看，以法國和日本為代表走閉式燃料循環(huán)的國家，雖早在上世紀六十年代就實現(xiàn)乏燃料后處理商業(yè)化，但由于快堆的滯后，被迫將后處理產(chǎn)生的钚制成鈾钚氧化物燃料(MOX)在輕水堆中使用，這種循環(huán)只能進行一次，之后因钚的同位素變化，不再對乏MOX燃料進行二次后處理，即所謂“兩次通過循環(huán)”(Twice Through Cycle)。

　　與之相對，俄羅斯采取了優(yōu)先發(fā)展快堆的策略，其后處理能力一直保持在較小規(guī)模，但經(jīng)過六十多年的發(fā)展，俄羅斯尚未實現(xiàn)快堆規(guī)模化推廣，基于快堆的閉式燃料循環(huán)在短期內(nèi)仍很難變成現(xiàn)實。

　　商業(yè)后處理廠的發(fā)展大致可分為兩個代際。

　　第一代商業(yè)后處理廠是對軍用后處理廠的改進，以處理核電站較高燃耗的乏燃料，主要包括建造于上世紀六十年代的美國的西谷廠(West valley)和法國的UP2-400，這些后處理廠基本上沿用了軍用后處理廠的設計原則。

　　第二代商業(yè)后處理廠主要針對更高燃耗的乏燃料后處理，其代表是法國的UP3和UP2-800、英國的THORP廠和日本的六個所廠，其中法國阿格的UP3和UP2-800兩個后處理廠運行較為成功，為法國本國、德國以及日本的核電客戶處理了大量乏燃料，英國THORP廠于2018年底提前關閉，只運行了設計壽期的一半，發(fā)生過一些運行事件，處理乏燃料量也遠低于設計產(chǎn)能，日本的六個所后處理廠則經(jīng)歷了長達二十多年的建造拖期，至今仍未投入運行。

　　我國乏燃料后處理技術在早期軍工時期有較好的基礎和積累，但由于多種原因，后處理科研經(jīng)歷了較長時間的停滯，目前技術已明顯落后于國際水平。在引進建設大型后處理廠的背景下，有必要系統(tǒng)研究和總結國際閉式燃料循環(huán)尤其是后處理產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗和啟示，為我國后處理能力建設和閉式燃料循環(huán)發(fā)展提供有益借鑒。

　　美國因多重因素放棄商業(yè)乏燃料后處理

　　美國早在20世紀50年代就開發(fā)了乏燃料后處理的PUREX 流程，并建成全球首座使用PUREX流程的軍用乏燃料后處理廠，隨后，美國大幅推進核電站乏燃料商業(yè)后處理，曾先后建設了三座民用后處理廠：

　　紐約州西谷廠處理能力300噸/年，1966-1977運行，因安全法規(guī)提高要求所導致的改造太貴而關閉;

　　伊利諾伊州Morris后處理廠處理能力300噸/年，因采用的新工藝失敗于1974年停產(chǎn);

　　南卡羅萊納州Barnwell廠處理能力1500噸/年，因后處理政策轉變未進行調(diào)試即被關閉。

　　1977年，受到印度核試驗的影響，卡特政府通過立法禁止了商業(yè)乏燃料后處理，其背后的原因除了防核擴散這一政治因素之外，經(jīng)濟性也是主要原因之一，美國國會針對乏燃料后處理舉行的聽證會以及MIT等機構開展的專題研究均指出，相比于乏燃料一次通過，后處理成本過高，且其在降低放射性廢物量的效益上并不顯著。

　　自2002年，美國先后推出先進燃料循環(huán)倡議(AFCI)和全球核能伙伴倡議(GNEP)開展分離嬗變先進核燃料循環(huán)研究專項，提出開發(fā)防核擴散的核燃料循環(huán)技術。2009年，奧巴馬政府停止GNEP計劃。2012年，美國能源部新設立的藍絲帶委員會通過評估后，建議在等待高放廢物(乏燃料)最終處置之前建造集中中間貯存設施作為過渡方案。近期，美國計劃重新評估乏燃料和核廢料的管理方案。

　　總體而言，在政策方面，美國目前的核燃料循環(huán)政策搖擺不定，暫停尤卡山最終地質(zhì)處置項目后，循環(huán)政策從“一次通過”調(diào)整為“觀望”，乏燃料管理策略改為集中儲存，作為最終方案的過渡，解決乏燃料大量累積帶來的安全管理問題的同時，為未來采取最優(yōu)核燃料循環(huán)路線保留選項。

　　美國麻省理工學院(MIT)2011年的《核燃料循環(huán)的未來》研究報告指出，今后幾十年內(nèi)輕水堆乏燃料一次通過仍是美國首選的經(jīng)濟選項，而且很可能是本世紀大部分時間美國和其它國家核循環(huán)系統(tǒng)的顯著特征。以相對較小的成本實施乏燃料長期安全管理，保留未來乏燃料利用的各種選項。

　　隨著時間推移，一些重大不確定性(核電發(fā)展規(guī)模、新反應堆和新燃料循環(huán)技術的可用性和經(jīng)濟性)終歸會明朗化，屆時輕水堆乏燃料采取直接地質(zhì)處置還是進行后處理閉式循環(huán)，就能做出更加合理的決定。另外，對乏燃料進行較長時間的中間儲存，其放射性和衰變熱減少，從而可降低后處理難度，減少后處理成本。

　　在頂層規(guī)劃方面，縱觀本世紀初開始的多個先進燃料循環(huán)研發(fā)計劃，不管是ACFI還是GNEP，均體現(xiàn)出乏燃料后處理和先進快堆的系統(tǒng)銜接和統(tǒng)籌規(guī)劃，從先進后處理、高放廢液分離、超鈾元素再利用、先進快堆等多個環(huán)節(jié)均有機銜接，同步推進。

　　同時，長期保持較高的研發(fā)投入，有多個先進燃料循環(huán)的研發(fā)項目正在開展，然而政府更替帶來的政策變化，一定程度上影響了美國先進燃料循環(huán)技術的研發(fā)進程。

　　法國后處理商業(yè)化后被迫在壓水堆中消納回收钚

　　法國1958年在馬庫爾投運第一座處理石墨氣冷堆乏燃料的軍用后處理廠(UP1)，1966年在阿格建成第二座后處理廠(UP2)提取軍用钚，至1987年停止處理氣冷堆乏燃料。1970年法國原子能委員會(CEA)決定改造UP2，使其具備輕水堆乏燃料處理能力，1975年完成改造，處理能力400噸/年，并改名為UP2-400。1989年由德國、日本等國核電企業(yè)投資建成UP3后處理廠，主要處理這些國家產(chǎn)生的輕水堆乏燃料。1994又將UP2-400改造擴建成UP2-800，主要負責處理法國本國產(chǎn)生的輕水堆乏燃料，阿格廠目前的總處理能力為1700噸/年。

　　自2000年以后，阿格后處理廠的后處理業(yè)務呈現(xiàn)出萎縮態(tài)勢，開本率大幅下降，其主要原因是德國立法禁止本國乏燃料運往國外后處理，未處理的乏燃料全部進行直接處置，日本由于當時預計六個所后處理廠能夠按時投運，也不再委托法國后處理。下圖為阿格廠兩個后處理廠30年間的年處理量情況。近年來，其年處理量維持在1000噸左右，約為設計產(chǎn)能的60%左右。

　　在回收钚的循環(huán)利用方面，法國自1987年開始在壓水堆中使用MOX燃料，目前約累計使用5000組MOX燃料組件。MOX燃料在壓水堆中使用，钚只能循環(huán)1-2次，之后由于钚的同位素譜變化，無法多次循環(huán)。

　　此外，使用過的 MOX燃料中次錒系元素大幅增加，導致其毒性增加，提高了再處理的難度，因此，法國目前對使用過的MOX燃料不再進行二次后處理，暫存等待未來先進的核燃料循環(huán)系統(tǒng)再利用。

　　后處理回收钚在壓水堆中應用最大的問題是其經(jīng)濟性差，由于MOX燃料組件的制造成本遠高于普通的UO2燃料，抵消了其節(jié)省的天然鈾和鈾濃縮價值，導致法國輕水堆使用MOX燃料成本高于UOX燃料成本。

　　總體而言，雖然法國成功實現(xiàn)了乏燃料的商業(yè)化后處理，但為了解決回收钚的消納問題，不得不在壓水堆核電站中應用MOX燃料，積累成熟經(jīng)驗，但在當前天然鈾和轉化濃縮市場條件下，MOX燃料成本大幅高于普通UO2燃料成本，循環(huán)經(jīng)濟性較差，雖然表面上提高了鈾資源利用率，但卻付出了較高的循環(huán)成本。

　　隨著國際后處理合同到期終止，法國后處理產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出萎縮態(tài)勢，其本國核電公司EDF也嚴格限制乏燃料后處理量，并且與服務方歐安諾公司在后處理合同價格上存在較大分歧，導致法國乏燃料后處理能力過剩的同時，仍有累積乏燃料未經(jīng)處理。

　　不排除法國未來重新評估并調(diào)整乏燃料管理政策的可能性，英國和德國早期走后處理路線，由于種種原因，目前均已從閉式燃料循環(huán)調(diào)整為一次通過。

　　日本大型后處理廠建設遭遇嚴重拖期

　　日本從核能利用之初就堅定不移地走閉式燃料循環(huán)路線，并且提出了“ 钚經(jīng)濟”(Plutonium Economy)設想，通過實現(xiàn)核燃料的多次循環(huán)利用，將核能對鈾資源的依賴降到最低程度。

　　1966年日本引進法國和美國技術，建設了東海后處理中試廠，1977年建成投產(chǎn)，由日本原子能委員會(JAEA)管理運營，其設計處理能力為200噸/年，實際能力90噸/年，從1977年到2009年共處理了1140噸乏燃料，大部分為輕水堆乏燃料。2014 年，JAEA宣布將關閉東海后處理廠。同時，日本以商業(yè)合同的形式委托法國和英國處理了總計約7000噸乏燃料。

　　1993年，日本在北海道青森縣六個所村開始建造大型后處理廠(Rokashho Reprocessing Plant)，主要工藝引進法國技術，部分引進英國技術，參照法國UP3后處理廠建設，設計后處理能力800噸/年。

　　然而，六個所后處理廠在建設過程中遇到了技術與成本的雙重問題，其投運計劃不斷延后，于2006年3月進行了熱試，目前預計在2021年投運，前后歷時將近30年。

　　日本六個所后處理廠的建設歷程，反映出大型后處理廠在技術、設計和工程方面的難度和復雜性，大型后處理廠的建設客觀上面臨較大的工程難度和風險。

　　對我國閉式燃料循環(huán)發(fā)展的啟示

　　截至2018年底，我國在運核電機組44臺，累積產(chǎn)生乏燃料數(shù)量約4800tHM，其中大部分暫存在核電站內(nèi)部的乏燃料水池中。

　　隨著我國核電規(guī)模的持續(xù)增長，乏燃料累積數(shù)量將大幅增加，按照2030年核電裝機1.3億千瓦測算，屆時乏燃料累積數(shù)量將接近3萬噸，但仍不及美國目前乏燃料累積數(shù)量的一半。

　　我國在上世紀80年代確定了閉式核燃料循環(huán)政策，“十三五”核工業(yè)發(fā)展規(guī)劃進一步明確了堅持乏燃料后處理的大政方針，已進入立法審批流程的《原子能法》將閉式燃料循環(huán)政策上升到法律層面。

　　在后處理能力建設方面，我國目前僅建成一座年處理能力60tHM的后處理中試廠，按照主管部門的相關規(guī)劃，我國將加快后處理科研攻關和能力建設，按照從易到難、由小到大的思路，堅持自主創(chuàng)新，在掌握后處理關鍵技術的基礎上盡快形成能力，通過引進法國技術，建設工業(yè)規(guī)模的大型后處理廠。

　　在加快推進后處理能力建設的同時，也必須充分認識到大型后處理廠建設面臨的難度和技術經(jīng)濟風險，尤其須關注引進后處理大廠的建設成本和工程風險，以核電的健康可持續(xù)發(fā)展為前提，以實現(xiàn)乏燃料的安全管理為目標，合理科學規(guī)劃大型商業(yè)后處理廠的建設時機和實現(xiàn)路徑。在總結國際核燃料循環(huán)發(fā)展經(jīng)驗的基礎上，結合我國核燃料循環(huán)發(fā)展完善面臨的主要問題，提出以下建議。

　　第一，在堅持核燃料閉式循環(huán)政策的同時，認真研究和確定我國商用后處理大廠的建設時機和條件，促進我國核燃料循環(huán)后段產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

　　我國應堅持核燃料閉式循環(huán)政策，著眼于建立基于快堆的閉式燃料循環(huán)體系。在統(tǒng)籌考慮核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)發(fā)展時，要特別注意后處理能力建設與快堆發(fā)展的銜接問題，不能過晚，也不能過于超前，避免重走英、法等國的彎路。我國后處理廠的建設時機應當以快堆產(chǎn)業(yè)化推廣時間為衡量基準，不能以乏燃料累積量為衡量基準。乏燃料累積問題完全可以通過中間貯存實現(xiàn)安全管理。

　　第二，對乏燃料管理政策和策略進行深入的研究，統(tǒng)籌規(guī)劃乏燃料的長期貯存。

　　美國核燃料循環(huán)政策從“一次通過”轉向“觀望”是一個重大政策轉變，“觀望”政策的核心是實行乏燃料的長期集中貯存，這一轉變的目的是為未來核燃料循環(huán)政策保留較大的選擇空間。我國未來的核電裝機規(guī)模很有可能將超過美國成為全球第一，乏燃料累積數(shù)量將非常龐大，乏燃料的中間儲存是必然選項，應盡早進行統(tǒng)籌規(guī)劃。長期集中貯存既能為最終采取最優(yōu)化的核燃料循環(huán)方案保留選項，也能為我國閉式燃料循環(huán)各相關環(huán)節(jié)的發(fā)展提供緩沖期。

　　第三，國家層面應做好統(tǒng)籌規(guī)劃，加大科研投入，集全行業(yè)力量攻關先進后處理和快堆領域的相關核心技術。

　　同時，應系統(tǒng)研究制訂我國核燃料循環(huán)長遠技術路線和發(fā)展規(guī)劃，同步推進先進后處理-高放廢液分離-超鈾元素快堆利用等環(huán)節(jié)的研究開發(fā)，最終建立“廢物最小化”和“資源最大化利用”的閉式燃料循環(huán)系統(tǒng)。

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