發(fā)布時間：2021-03-16所屬分類：經(jīng)濟論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為更好地推動中國核電事業(yè)的發(fā)展，消除民眾對核廢料的擔(dān)憂，完善上海核電產(chǎn)業(yè)鏈，介紹了核廢料的產(chǎn)生和處理方法，分析了國內(nèi)外核燃料循環(huán)后端產(chǎn)業(yè)的特點、市場空間和發(fā)展態(tài)勢，以及上海市發(fā)展核燃料循環(huán)后端產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢和不足，提出了上海市發(fā)展核燃料循
摘要:為更好地推動中國核電事業(yè)的發(fā)展，消除民眾對核廢料的擔(dān)憂，完善上海核電產(chǎn)業(yè)鏈，介紹了核廢料的產(chǎn)生和處理方法，分析了國內(nèi)外核燃料循環(huán)后端產(chǎn)業(yè)的特點、市場空間和發(fā)展態(tài)勢，以及上海市發(fā)展核燃料循環(huán)后端產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢和不足，提出了上海市發(fā)展核燃料循環(huán)后端產(chǎn)業(yè)的重要途徑、重點產(chǎn)品以及相關(guān)政策建議，對引導(dǎo)上海相關(guān)企業(yè)進行合理規(guī)劃和科研開發(fā)有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞:產(chǎn)業(yè)發(fā)展;核廢料;核燃料循環(huán)
中國作為最大的發(fā)展中國家，需要核電來提供長期、安全、清潔、可持續(xù)的能源，實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和民族偉大復(fù)興。當(dāng)前，社會上對核廢料的處理非常關(guān)注，連續(xù)發(fā)生的江門、連云港事件說明了普及核知識的重要性，如何盡快提高核廢料的能力，妥善處理反應(yīng)堆的核廢料，保證子孫后代美麗家園的安全，驅(qū)散民眾頭上的疑云，便成為決定中國未來核能發(fā)展道路的重要因素。
1核廢料的產(chǎn)生與核廢料處理方法
廣義上的核廢料包括核燃料在上下游過程中產(chǎn)生的所有放射性廢物。狹義上則專指核電站燒剩的廢料，也稱為乏燃料。乏燃料并不是“無用的廢物”反而渾身是寶，但同時它又充滿危險，如不善加處理，會造成核燃料資源浪費和輻射污染.從核電站卸出的乏燃料會暫時放置于反應(yīng)堆場址的水池內(nèi)冷卻一段時間，在合適時候運至集中場址，進行處理或處置。
從燃料利用率方面來看，目前的裂變堆主要利用天然鈾中僅占0.7%的235U作為燃料，而占絕大多數(shù)的238U卻無法有效利用，綜合U資源的利用率還不到1%。據(jù)世界能源組織估計，按目前反應(yīng)堆對核燃料的消耗速度，U在地球上的儲量大約只夠使用200年。無論是從安全性還是經(jīng)濟性角度考慮，反應(yīng)堆產(chǎn)生的這些核廢料，尤其是乏燃料，必須得到妥善的處理。具體方法可以總結(jié)為以下四個方面:(1)回收和純化沒有用完或尚未轉(zhuǎn)化的核燃料;(2)提取和純化新生成的核燃料;(3)提取有用的裂變產(chǎn)物;(4)對最終放射性廢物進行安全處置。
乏燃料后處理對放射性廢物最小化具有重要意義。首先，經(jīng)過后處理后，只剩下極少數(shù)放射性廢物，大大地減少了高放廢物的數(shù)量。乏燃料若直接進行深地質(zhì)處置，其體積是2.0m3/tU，而經(jīng)后處理提取U和Pu后，需地質(zhì)處置的廢物體積低于0.5m3/tU，減容效果明顯。其次，在后處理過程中或之后，采用分離—嬗變技術(shù)，可將長壽命核素轉(zhuǎn)變成短壽命核素，有效地降低其放射性的長期危害[1]。
2核廢料的分類
除了核電站正常運行產(chǎn)生的廢水、廢氣外，放射性廢物還產(chǎn)自上游的采礦、精煉、燃料制造與下游的核廢料，核相關(guān)設(shè)施的退役等過程，甚至連科研活動所產(chǎn)生的放射性廢物，比如實驗室的手套衣服、清洗污水。
我國的放射性廢物并不主要來源于核電站。據(jù)清華大學(xué)核能研究設(shè)計院統(tǒng)計:我國民用核技術(shù)產(chǎn)生的廢料累計約1×104m3，研究開發(fā)產(chǎn)生的廢料大概在5000m3左右，軍工生產(chǎn)遺留下的核廢料大約有幾萬立方米，核應(yīng)用產(chǎn)生的放射源有上萬枚。另外，鈾礦開采時產(chǎn)生的含放射性物質(zhì)的廢礦石有幾千萬噸，另產(chǎn)生核礦渣幾千萬噸。上述數(shù)據(jù)，就是目前中國整個核廢料存量的明細(xì)賬，可以看出核電站的核廢料存量比重較低，主要原因是核電站在運行過程中能及時處置部分核廢料。
與之相對，一座同樣功率的火電站，一年燒煤約3.5×106t，其中至少含有5t天然U。雖然火電站排放煙塵絕大多數(shù)被過濾系統(tǒng)捕獲，但逃逸到環(huán)境中的放射性核素輻射強度依然會導(dǎo)致這樣一座火電站的輻射強度比核電站強50倍(數(shù)據(jù)源自郝卿《核廢料處理方法及管理策略研究》[2])。
根據(jù)其放射性強度，核廢料可以分為高中低三檔。不同國家有不同標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示，實際的核廢料的質(zhì)量比重里絕大部分都是中低放廢物，而最需要關(guān)注的高放廢物占3%，絕大多數(shù)源于乏燃料。所有的放射性廢物都會根據(jù)其化學(xué)物理性質(zhì)、放射性水平不同進行嚴(yán)格處理，保證所有排出物質(zhì)對公眾成員照射所造成的劑量值滿足安全標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。
1)廢氣一般為中低放射性，可以暫時貯存讓其自發(fā)衰變，或者采用活性炭過濾等方法處理并達(dá)標(biāo)，其放射性已經(jīng)低于大自然本底，可直接排放到大氣環(huán)境中。
2)中低放廢液可采用過濾、離子交換減小體積，并分離為可直接排放的凈化液和需要封存的濃縮液。
3)中低放固體和濃縮液需要打包封存，通過穩(wěn)定固化處理(瀝青化或水泥化)后淺層掩埋于地表。
4)高放廢物和中低放處理殘余物則必須經(jīng)過最嚴(yán)格的固化處理(玻璃化或陶瓷化)后封存深埋于地底。
各種放射性廢物的處理流程如圖3所示。
最終將處理產(chǎn)物固化的好處有很多，包括方便儲存運輸、利于抗震抗壓以防止接觸地下水源造成核污染擴散并屏蔽核廢物的輻射、易于導(dǎo)出核廢物衰變產(chǎn)生的熱量等。
3發(fā)展核燃料循環(huán)后端產(chǎn)業(yè)的重要意義
大家知道，動力堆燃料循環(huán)方法有兩種:一種是不進行后處理的開路循環(huán)模式(openfuelcycle);另一種是進行后處理的閉式循環(huán)模式(closedfuelcycle)。開路循環(huán)模式不進行后處理，乏燃料從反應(yīng)堆卸出后經(jīng)過中間儲存和包裝之后直接進行地質(zhì)處置。
由于燃料循環(huán)只通過反應(yīng)堆一次，U、Pu不回收重復(fù)使用，故亦稱“一次通過方式”，如圖4所示。
盡管按照目前的天然U價格水平，“一次通過”循環(huán)的經(jīng)濟性有可能略優(yōu)于閉式循環(huán)，但從核能可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，為了充分利用U資源和減少核廢物體積及其長期毒性，核燃料閉式循環(huán)是必由之路。目前世界上選擇核燃料“一次通過”方式的國家有瑞典、芬蘭、加拿大和西班牙等。美國多年來主要基于核不擴散的政治考慮，1980年代后曾一直積極推動“一次通過”循環(huán)方式，2006年后美國也正式宣布采取閉式燃料循環(huán)方式。采取核燃料閉式循環(huán)方式的國家有法國、英國、俄羅斯、日本、印度和中國等[5-10]。可以說，全世界主要的核電國家均走核燃料閉式循環(huán)之路。還有不少國家尚未確定核燃料循環(huán)的技術(shù)路線，對核電站乏燃料目前采取暫時儲存的做法[11-12]。此外，對于一些核電規(guī)模較小的國家，沒有必要在其國內(nèi)進行核燃料再循環(huán)，可以通過國際合作的方式實現(xiàn)核燃料再循環(huán)。
閉式核燃料循環(huán)是指乏燃料經(jīng)過分離處理，將裂變產(chǎn)物分離除去，并將回收得到的鈾和钚重新制成燃料元件返回反應(yīng)堆復(fù)用，因此閉式核燃料循環(huán)的核心環(huán)節(jié)是乏燃料后處理。
根據(jù)國家核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2005—2020)，我國將堅持閉式核燃料循環(huán)的技術(shù)路線，對乏燃料進行后處理，后處理中試廠于2011年開始運行。由于中國尚未建立起工業(yè)規(guī)模的后處理廠，核電站卸出的乏燃料暫存于核電站的貯存設(shè)施中。最近幾年，國家正在積極部署商用后處理廠的建設(shè)，以保證核電的長期可持續(xù)發(fā)展。
3.1近年來核燃料循環(huán)全球化的進程非常顯著
亞洲不僅成為動力堆的市場，而且也成了一個核燃料與核燃料循環(huán)有關(guān)的設(shè)備和服務(wù)的市場。包括前蘇聯(lián)和東歐各國在內(nèi)的一些國家現(xiàn)在已成為世界范圍內(nèi)的核燃料循環(huán)市場的積極參與者。隨著核燃料循環(huán)服務(wù)新供應(yīng)商的出現(xiàn)，核燃料循環(huán)市場的相互影響變得越來越復(fù)雜。例如，在核燃料元件制造方面，其市場越來越開放，反映了貿(mào)易和電力的全球自由化。
3.2核燃料循環(huán)后端市場是一個千億級的大市場
截至2016年7月，全球在運核電機組共439臺，總裝機容量380GW，按照當(dāng)前核電裝機規(guī)模，每年將產(chǎn)生約1萬t乏燃料。截至2013年12月，全球乏燃料總量已達(dá)到約37萬500t，其中約25萬3700t乏燃料貯存在反應(yīng)堆旁或離堆貯存，約11萬2800t乏燃料(略低于總量的三分之一)進行了后處理。
按照我國《核電中長期發(fā)展規(guī)劃》，我國核電在運行發(fā)電量2020年達(dá)到5.8GW，在建3.0GW;預(yù)計到2025年在運行9.0GW，在建(3.0～4.0)GW;到2030年在運行超過12GW。隨著我國核電事業(yè)的快速發(fā)展，乏燃料的貯存面臨巨大的挑戰(zhàn)，因此乏燃料后處理就具有巨大的市場潛力。根據(jù)現(xiàn)行新增核電機組情況測算，到2020年我國乏燃料累計存量將達(dá)到9000t左右，且當(dāng)年乏燃料的產(chǎn)量將達(dá)到約1100t。按照國際上后處理費用800～1000美元/kg的標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計我國2020年乏燃料后處理市場空間總計將達(dá)到(500～700)億元。而一座100MW的核電站一年產(chǎn)生20m3中放廢物、140m3低放廢物和200m3非放射性廢料。我國核電機組運行以來產(chǎn)生的中低放廢物累計約1.3×104m3，預(yù)計到2020年累計將達(dá)到3×104m3。參照美國每單位體積征收(3～5)萬美元的放射性廢物處理費用標(biāo)準(zhǔn)，中國在2020年中低放廢物處置市場規(guī)模可達(dá)(60～100)億元，在2025年可達(dá)(120～200)億元。此外，800t和200t兩座商用后處理廠的建設(shè)投資也在1500億元左右。據(jù)此測算，“十三五”期間后處理產(chǎn)業(yè)鏈整體市場空間總計達(dá)到千億級。
3.3解決迫在眉睫的后端需求
我國的《放射性廢物管理規(guī)定》第十二條中規(guī)定，中、低放固體廢物的貯存期一般不宜超過5年，應(yīng)適時對廢物進行相應(yīng)的處理、整備或處置。該《規(guī)定》第十四條中還規(guī)定:通常中、低放廢物的隔離期不應(yīng)少于300年;中、低放固體廢物應(yīng)按“區(qū)域處置”的方針實施處置。
目前，我國商業(yè)壓水堆所產(chǎn)生的乏燃料有兩種貯存方式，一是放置于核電站區(qū)域內(nèi)的乏燃料水池，所謂在堆貯存，在堆貯存時間一般是10～20年;在堆貯存期滿后，乏燃料要運到位于甘肅的中核四○四有限公司乏燃料水池，所謂離堆貯存，對乏燃料進行集中貯存并實施統(tǒng)一管理。當(dāng)乏燃料水池的貯存能力接近飽滿或乏燃料在水池中的貯存達(dá)到一定年限時，乏燃料將被轉(zhuǎn)移到干式容器中運往長期貯存場所或后處理廠。
在核電大發(fā)展背景下，我國核電站卸出的乏燃料數(shù)量在不斷增長，大部分核電站的在堆貯存水池容量已經(jīng)超負(fù)荷(中國目前是按其可以存儲乏燃料10年設(shè)計)，我國核電廠運行已近30年，乏燃料貯存設(shè)施已累積了大量乏燃料，大亞灣核電廠乏燃料貯存設(shè)施已經(jīng)達(dá)到貯存上限，田灣核電廠乏燃料貯存設(shè)施也已接近飽和。已經(jīng)建成的離堆乏燃料濕法儲存設(shè)施也已飽和。目前，四○四原有的500t乏燃料水池已經(jīng)滿容，無法再接納新的乏燃料。正在新建的一個800t水池容量也有限，按照我國商用核電站的用量，這個水池也將在2018年滿容。
除了貯存的需求外，運輸方面也面臨著挑戰(zhàn)。我國在2003年完成了核電站乏燃料的首次運輸，目前只有大亞灣核電站的乏燃料實現(xiàn)了外運。從廣東到甘肅，行程3700km左右，受氣候等影響，每年只能進行兩次運輸，并且是采取公路運輸方式。“幅員遼闊”這一國土特點成為乏燃料運輸中要克服的巨大障礙。此外，運輸容器、運輸方式等也是乏燃料運輸中的至關(guān)重要的因素，急需建設(shè)一套先進的、綜合的、多模式的乏燃料運輸體系。
現(xiàn)實問題是，我國核電站最集中的地區(qū)在沿海，而乏燃料后處理項目的選址地并不一定是核電站所在地，項目選址地的政府只有義務(wù)沒有利益，誤以為后處理是“核垃圾處理”，只有危害和風(fēng)險，因此不情愿接納，導(dǎo)致后處理項目落地存在極大困難。不接受外省廢物，已經(jīng)成了一些地方建設(shè)廢物處置場的前提條件。國家原計劃建設(shè)西南、西北、華東、華南、北方五個區(qū)域處置場，目前只建成了西北處置場，且至今尚未建成具有一定處理規(guī)模的乏燃料商用后處理廠[13]。乏燃料處理工廠的建設(shè)已經(jīng)迫在眉睫。但無論是自主技術(shù)還是中法合作，乏燃料后處理大廠投資強度均超過普通核電站，建設(shè)周期超過10年，投資額更是動輒數(shù)千億元。
從表1可知，目前全球大部分的乏燃料貯存在水池中，隨著全球核電裝機總量和乏燃料累積量的不斷增加，這部分乏燃料的運輸和貯存勢在必行，將直接帶動乏燃料后處理產(chǎn)業(yè)的增長。
后處理產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展和大力投入將成為第二輪核電發(fā)展高峰的顯著特征，其中高放核廢料處理難度大，技術(shù)含量高，附加值高，將成為核廢料處置的重頭戲。而中低放核廢料處置雖然附加值較低，但隨著中國核電站運行數(shù)量的大幅提升，中低放廢物總量增長加速，未來新建核電站中低放廢物處置中心已成為標(biāo)配。目前大亞灣和秦山基地正在進行相應(yīng)規(guī)劃。
4上海發(fā)展核燃料循環(huán)后端產(chǎn)業(yè)的路徑
上海是國內(nèi)集核工程設(shè)計、核設(shè)備制造和核工程人才培養(yǎng)于一體的地區(qū)。目前上海核電產(chǎn)業(yè)已基本形成了核電研發(fā)設(shè)計、工程承包、核電材料、設(shè)備制造、測試認(rèn)證、運行服務(wù)及人才培養(yǎng)等諸多環(huán)節(jié)的較完整的核電產(chǎn)業(yè)鏈。具有較豐富的人才資源;上海的區(qū)位優(yōu)勢和金融中心等都為上海發(fā)展核電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。上海市核電辦公室承擔(dān)著行業(yè)規(guī)劃、項目管理及核電科普宣傳等職能，近年來也密切關(guān)注著核燃料循環(huán)后端產(chǎn)業(yè)發(fā)展對上海核電產(chǎn)業(yè)帶來的機遇與挑戰(zhàn)。上海市將從政府層面聯(lián)合重點企業(yè)，積極和國家科工局以及中核集團建立戰(zhàn)略合作關(guān)系，積極參與到在乏燃料后處理設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域和設(shè)備國產(chǎn)化領(lǐng)域，積極參與到商用后處理廠項目建設(shè)中去。主要有以下幾點考慮:
4.1跟蹤后處理產(chǎn)業(yè)政策動態(tài)，制訂后處理產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃
十八大以來，黨中央、國務(wù)院采取多項舉措穩(wěn)增長、調(diào)結(jié)構(gòu)，大力支持高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動國家經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級。關(guān)于核燃料循環(huán)項目的政策和規(guī)劃不斷明確和具體。在政策層面，2016年7月，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》國發(fā)〔2016〕43號[14]。乏燃料后處理技術(shù)列入“清潔高效能源技術(shù)”，提出要“穩(wěn)步發(fā)展核能與核安全技術(shù)及其應(yīng)用”，重點包括“后處理技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用”，并明確指出要“開展先進核燃料、乏燃料后處理、放射性廢物處理”等研究，這說明在政策層面，乏燃料后處理已經(jīng)明確寫入“十三五”規(guī)劃綱要，上升至國家戰(zhàn)略層面，有助于產(chǎn)業(yè)鏈崛起。上海市相關(guān)政府部門和企業(yè)目前正積極關(guān)注和學(xué)習(xí)國家后處理的相關(guān)政策，及時關(guān)注后處理產(chǎn)業(yè)最新發(fā)展動態(tài)，不斷探索上海市為我國推進后處理產(chǎn)業(yè)做貢獻的路徑，積極加入到乏燃料后處理產(chǎn)業(yè)中去。
上海已經(jīng)將發(fā)展乏燃料后處理產(chǎn)業(yè)納入上海核電十三五規(guī)劃，重點聚焦乏燃料貯存格架、干式貯存容器、乏燃料運輸容器、玻璃固化容器、焚燒爐、相關(guān)泵閥、電氣控制設(shè)備、化工容器，后處理材料等領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)和制造。通過舉辦國際核燃料循環(huán)論壇，交流最新技術(shù)成果和產(chǎn)業(yè)動態(tài)，推動產(chǎn)業(yè)對接;以規(guī)劃引領(lǐng)，做好頂層設(shè)計。
4.2充分發(fā)揮高校、研究院所集中優(yōu)勢，提前布局相關(guān)技術(shù)研究
上海核工程研究設(shè)計院、上海交通大學(xué)、華東理工大學(xué)、上海材料研究所、上海硅酸鹽研究所、中科院上海應(yīng)用物理研究所等單位在乏燃料后處理技術(shù)方面都有不同程度介入，有的還已經(jīng)作為重點學(xué)科和重點科研項目在推進。例如，上海核工程研究設(shè)計院從秦山核電開始，就深入開展相關(guān)研究，成功為秦山三期設(shè)計了乏燃料干式貯存系統(tǒng)，目前正在重點開展三代核電燃料干式系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備構(gòu)設(shè)計和安全分析，形成了一套可行的壓水堆乏燃料干式系統(tǒng)方案。上海應(yīng)用物理研究所提出釷基熔鹽堆(TMSR)燃料處理流程，采用在線-離線結(jié)合、干法-水法互補原則進行技術(shù)攻關(guān)。建立了高溫氟化反應(yīng)實驗裝置，確定了梯度冷凝的產(chǎn)物收集和鈾氟化揮發(fā)過程中紅外在線分析監(jiān)測技術(shù)，鈾回收率超過95%;并進行千克級FLiNaK減壓蒸餾實驗驗證，還初步驗證了熔鹽中電解分離鈾與稀土的可行性。上海交通大學(xué)核燃料循環(huán)研究室主要從事先進的乏燃料后處理技術(shù)、高放廢液分離、錒系及裂變產(chǎn)物元素的化學(xué)行為、放射性核素分離用高性能吸附材料研制等研究工作。研究領(lǐng)域包括圍繞快堆燃料循環(huán)體系的先進后處理技術(shù)研究、長壽命次錒系及核裂變產(chǎn)物核素的分離研究、新型吸附分離材料研發(fā)、調(diào)控離子價態(tài)的高效電解裝置研發(fā)、放射能污染水處理技術(shù)及裝置的研發(fā)、先進醫(yī)療用放射性核素診斷及治療藥物的研制等。研究室于2013年與上海市計量測試技術(shù)研究院共建了“放射化學(xué)聯(lián)合實驗室”，具備從事放射化學(xué)實驗的國家丙級實驗室資質(zhì)。——論文作者：顧銀祥
相關(guān)期刊推薦：《南方能源建設(shè)》SouthernEnergyConstruction(季刊)2014年創(chuàng)刊，辦刊宗旨立足于為能源行業(yè)尤其是電力行業(yè)工程建設(shè)提供技術(shù)支持和信息服務(wù)，推廣新理論、新技術(shù)的工程應(yīng)用，提高我國能源建設(shè)質(zhì)量的技術(shù)水平。主要面向全國能源行業(yè)尤其是電力行業(yè)設(shè)計、建設(shè)、制造等企業(yè)、以及相關(guān)的研究機構(gòu)和高等院校的廣大工程技術(shù)人員、管理人員、專家學(xué)者等。
