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智库丛书隆重推介⑩丨我国压水堆核电站乏燃料离堆贮存的规划研究
时间:2021年03月23日 来源:《中国核能行业智库丛书》 作者:刘敏 张红林 石磊 刘洪军 点击量:1344 分享:

文章摘要:

我国于20世纪80年代确立了“热堆—快堆—聚变堆”三步走的核能发展战略,坚持乏燃料后处理的国策。在个别核电站乏燃料在堆水池已满或接近满容,而乏燃料后处理厂及配套水池建设滞后的情况下,乏燃料离堆贮存成为乏燃料安全管理的重要一环。本文基于我国压水堆核电站乏燃料产生、贮存现状及乏燃料离堆贮存面临的主要问题,结合核电发展现状与未来发展规模,对压水堆核电站乏燃料未来离堆贮存需求按高、低情景分别测算分析,提出核电站乏燃料离堆贮存的规划思路与建议,以供参考。


20世纪80年代,我国确立“乏燃料必须进行后处理”的核燃料闭式循环方针政策。然而,迄今尚未形成商业乏燃料后处理生产能力。随着田湾、大亚湾等部分核电站乏燃料水池的逐渐满容,需要采取乏燃料离堆贮存的方式。乏燃料的离堆贮存不仅可保障核电站安全稳定运行,还可为后处理能力建设和快堆发展提供有效缓冲,确保我国核燃料循环战略稳步实施。

随着核电站运行堆年的增加,乏燃料离堆贮存问题日益突出。新形势下,围绕我国核电站乏燃料离堆贮存工作,对乏燃料离堆贮存技术路线、设施规划布局等方面应科学规划、尽早明确,这对保障核电及核燃料循环后段健康可持续发展具有重要的现实意义。

1.   我国压水堆核电站乏燃料产生及贮存现状

1.1   乏燃料产生及贮运情况

截至2019年12月底,大陆在运核电站已累计产生乏燃料约5671tHM,其中5225tHM 贮存在乏燃料在堆水池,其余446tHM贮存在中核四○四有限公司后处理中试厂水池中或进行了后处理。

1.2   乏燃料贮存现状

中核四〇四有限公司建设后处理中试厂时,配套建设了我国第一座乏燃料离堆贮存设施,贮存能力为500 tHM,已贮存大亚湾核电站乏燃料约446tHM,基本满容。扩建完成贮存能力为800tHM 的乏燃料贮存水池,目前正在运行。随着后处理厂示范厂开工建设,配套的乏燃料贮存水池已开工建设,规划容量为1200t。800t/a的商用后处理厂厂址尚未明确,与之配套的乏燃料贮存水池规模容量设计为6000t,首期建设规模为3000t。

考虑到现有乏燃料离堆湿法贮存能力,以及商用乏燃料后处理厂选址的不确定性,为应对压水堆核电站乏燃料在堆水池即将满容的情况,避免核电站停堆的风险,部分核电站已经开始建设乏燃料干法贮存设施。目前,田湾、大亚湾核电站厂区正在建设乏燃料干法贮存设施,规模分别为400tHM、150 tHM,均采用混凝土模块的干法技术路线。

2   面临的主要问题

2.1   相关法规标准缺失

《原子能法》正在征求意见。《乏燃料管理法》《乏燃料管理条例》至今尚未出台。由于缺少一些基本大法,各行政主管部门的部门规章无法系统、配套制定, 乏燃料管理所涉及的核电业主、乏燃料承运及接收贮存单位等各方责权边界不清晰,具体工作推进困难。乏燃料基金管理缺少具体实施细则,尚未建立基金征收使用评价标准、基金保值增值机制以及对重大项目的评价机制等,缺少后段成本风险控制措施和手段。

2.2   乏燃料贮存技术科研有待加强

从长远来看,核电站运行产生的乏燃料无法在短期内全部及时后处理,只能采取中间贮存的方式作为后处理前的有效缓冲。目前,缺少对乏燃料干法贮存技术的研发储备,干法贮存技术自主化科研及容器制造处于准备阶段。

2.3   乏燃料离堆集中贮运设施厂址不确定

由于商用后处理厂厂址尚不明确,与后处理厂配套的乏燃料贮存设施无法开工建设,未来乏燃料大规模离堆集中贮存的去向不明确。

2.4   厂址选择面临公众接受的挑战

国外经验充分表明,有效的公众沟通与参与是乏燃料管理工作取得成效的关键因素。我国不论在后处理厂选址、放射性废物处置场选址,还是未来离堆贮存设施选址方面,均面临公众是否接受的现实问题,可能会影响项目顺利落地。

3.   未来离堆贮存需求预测

3.1   核电发展现状与未来发展规模预测

截至2019年12月底,我国大陆在运核电机组47台,在运装机容量约4875.1万千瓦;在建12台,在建装机容量约1259万千瓦。按照核电发展规划及相关预测,到 2020年,大陆在运核电装机容量可达5800万千瓦。按照每年平均新开工建设8台核电机组预测,到2025 年,在运核电机组将达9000万千瓦,在建机组3000-4 000万千瓦。到2035年,在运核电装机容量1.5亿千瓦左右,在建4000万千瓦。到2050年,在运核电装机容量约3亿千瓦左右。

3.2   未来压水堆核电站乏燃料离堆贮存需求预测

3.2.1   乏燃料产生量测算

随着核电机组的陆续建成和投运,乏燃料产生和累积量逐年上升(图 1)。在不考虑秦山三期重水堆、山东石岛湾高温气冷堆产生的乏燃料的前提下,在运、在 建机组按照实际计划计算乏燃料,还未开工的机组按每100万千瓦年产生乏燃料21t计算,新建机组按照 AP1000每年产生乏燃料26.5t计算,对乏燃料年产生量、产生积累量进行测算。从图1可看到,到2020 年,乏燃料年产生量、产生累积量分别达1100t、7 800t;到2035年,乏燃料年产生量、产生累积量分别达2000t、34600t;到2050年,乏燃料年产生量、产生累积量分别达6600t、110000t。

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3.2.2   乏燃料离堆贮存量测算

乏燃料从核电站反应堆卸出后,首先在乏燃料水池在堆冷却一定时间,以降低乏燃料的衰变热和放射性。20世纪60-70年代的反应堆设计考虑到几年后将冷却的乏燃料运往后处理厂,因此早期乏燃料在堆贮存水池的设计容量较小。后 来由于后处理发展速度相对滞后,后期建设的核电机组乏燃料贮存设计容量增大, 贮存时间扩展为10年、15年甚至20年。

为保证核电站运行安全,乏燃料在堆贮存水池至少必须保证有一个堆芯和三分之一换料的安全裕量。鉴于此,本文基于乏燃料在堆冷却满10年后离堆贮存的前提假设,对乏燃料年离堆贮存量、离堆贮存累积量进行预测(图 2)。

从图2可看到,到2020年,我国乏燃料年离堆贮存量、离堆贮存累积量分别达 190 t、1 709 t;到2025年,乏燃料年离堆贮存量、离堆贮存累积量分别达440t、3200t;到2030年,乏燃料年离堆贮存量、离堆贮存累积量分别达1080t、7440t;到2035年,乏燃料年离堆贮存量、离堆贮存累积量分别达1460t、13900t;到2050年,乏燃料年离堆贮存量、离堆贮存累积量分别达 4400t、58800t。

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3.2.3   离堆贮存需求分析

某一时间节点的乏燃料离堆贮存累积量减去截至这一时间节点乏燃料的离堆贮存能力和乏燃料的后处理量,即截至该时间节点实际需要离堆贮存的乏燃料量—乏燃料离堆贮存需求量。

本文中的乏燃料离堆贮存需求按照高情景、低情景分别测算分析。高情景分析的前提条件是正在运行的后处理中试厂及配套水池持续运行,规划中的后处理厂和离堆贮存设施均能按照规划的时间节点建成投运;低情景分析则是基于正在运行的后处理中试厂及配套水池正常持续运行,规划中的后处理厂和离堆贮存设施均比规划的时间节点推迟5年建成投运的前提条件进行测算。

(1)高情景分析

假设在运的后处理中试厂及配套水池正常运行,规划中的后处理厂和乏燃料离堆贮存设施均能按照规划的时间节点建成投运,即乏燃料中试厂配套的1300t水池正常运行;2020年,后处理示范厂配套的1200t水池投运,田湾和大亚湾核电站550t的干法贮存设施投运;2025年,秦山核电站510t的干法贮存设施投运,后处理示范厂建成投运;2030年,800 t/a后处理厂配套水池首期工程3000t建成运行;2035年,800t/a后处理厂建成调试,800t/a后处理厂配套水池二期工程3000t 建成运行。根据以上规划的时间节点,结合乏燃料在堆冷却满10年后离堆贮存测算条件下的乏燃料离堆贮存累积量,对乏燃料离堆贮存需求进行预测。

乏燃料离堆贮存累积量与后处理能力、离堆贮存能力的对照如图3所示。按照图3相关假设和前提条件,经测算,2030年前的乏燃料离堆贮存能力和后处理能力能够满足乏燃料离堆贮存需求。到2035年,乏燃料离堆贮存累积量与后处理量、离堆贮存能力间存在约2400t缺口。

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(2)低情景分析

假设在运的后处理中试厂及配套水池正常运行,在建的田湾、大亚湾、秦山核电站的干法贮存设施,后处理示范厂、800t/a后处理厂的配套水池均按计划建成投运,后处理示范厂、800t/a后处理厂均比规划的时间节点推迟5年建成投运,结合乏燃料在堆冷却满10年后离堆贮存测算条件下的乏燃料离堆贮存累积量,对乏燃料离堆贮存实际需求进行预测。

乏燃料离堆贮存累积量与后处理能力、离堆贮存能力的对照如图4所示。按照图4相关假设和前提条件,经测算,2025年前的乏燃料离堆贮存能力和后处理能力能够满足乏燃料离堆贮存需求。到2030年,乏燃料离堆贮存累积量与后处理量、离堆贮存能力间存在约 670t缺口。到2035年,乏燃料离堆贮存累积量与后处理量、离堆贮存能力间存在约3200t缺口。

从以上高情景、低情景两种状态分析对比来看,后处理示范厂、800t/a后处理厂两座后处理厂的投运时间直接影响乏燃料离堆贮存的实际需求。在高情景下,2030年前乏燃料离堆贮存能力和后处理能力能够满足乏燃料离堆贮存的需求。到2035年,约2400t乏燃料需要妥善离堆贮存。在低情景下,到2030年,约670t乏燃料需要妥善离堆贮存;到2035年,约3200t乏燃料需要妥善离堆贮存。可以预见的是,2035年左右,考虑建设独立于乏燃料后处理厂的乏燃料集中离堆贮存设施成为满足乏燃料较长时间的离堆贮存需求,解决乏燃料离堆贮存去向的有效选择。

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4.   我国乏燃料离堆贮存的规划思路与相关建议

随着核电站规模化建成投运,部分核电站卸出的乏燃料已接近或超出乏燃料 在堆贮存水池容量。未来很长一段时间,乏燃料后处理厂的后处理能力及配套水池无法满足离堆贮存的需求。后处理厂建成前,需要先建造乏燃料离堆贮存设施, 对在核电站水池冷却满足一定时间后需要离堆贮存的乏燃料,进行较长时间的中间贮存。

4.1    总体思路建议

坚持核能发展“三步走”战略和核燃料闭式循环政策,建立与核工业发展相适应的乏燃料离堆贮存设施布局和贮存能力体系,实现核电站乏燃料较长时间的中间贮存和安全管理。考虑到乏燃料运输的经济性和安全性,乏燃料离堆贮存设施宜集中布局,在靠近乏燃料后处理厂或者在核电站分布相对集中的地区开展贮存设施的选址和建设;发展干法与湿法相结合的乏燃料离堆贮存技术,积累干法贮存设施建设和运维经验。2035年前,形成以乏燃料湿法贮存为主、干法贮存为辅, 设施布局相对集中的乏燃料贮存能力体系,为核电、核燃料循环产业的持续发展提供强有力保障。

4.2    相关工作建议

4.2.1   加强乏燃料离堆贮存工作的统筹部署

乏燃料离堆贮存成为我国乏燃料管理的重要一环。建议结合离堆贮存需求的高情景、低情景测算分析,根据新的形势变化和工作需求,进一步明确乏燃料离堆贮存的技术路线、贮存设施规划和布局。从国际经验与教训来看,乏燃料离堆贮存设施宜相对集中。结合我国现实情况,建议湿法离堆贮存设施宜靠近商用后处理厂建设运营;干法离堆贮存设施可在靠近商用后处理厂或核电站分布相对集中的区域建设运营,便于乏燃料集中运输和设施集群化管理。 

4.2.2   积极开展厂址选择

乏燃料离堆贮存体系是乏燃料后处理厂与核电安全可持续发展的保障,必须确保乏燃料离堆贮存能力的充足和可靠。考虑到乏燃料离堆贮存能力建设同样面临选址、建设等时间上的不确定性,因此必须在规划上适度超前,积极推动乏燃料离堆贮存设施选址,尤其是尽可能规避选址面临的“邻避效应”,尽早解决厂址资源问题,为未来乏燃料大规模的离堆贮存提供重要保障。

4.2.3   丰富乏燃料离堆贮存技术手段

掌握压水堆核电站乏燃料的干法贮存技术,推进乏燃料离堆贮存技术多元化发展,不仅可增加乏燃料临时贮存容量,保障核电站安全稳定运行,还可带动相关技术与装备的自主化,并为商用后处理厂建设和快堆发展提供缓冲空间。

4.2.4   推进乏燃料干法贮存容器的国产化

乏燃料干法贮存在国内外均有较大的市场空间,设施及设备的设计、制造、运行维护、退役治理等将形成一个产业链。干法贮存技术核心在于贮存容器,而目前我国干法贮存容器的研制尚处于起步阶段。不仅要引进干法贮存技术和贮存容器,更要结合我国在干法贮存设施设计、容器研究制造等方面的现有基础,强化技术的消化吸收再创新,大力推进干法贮存容器制造的国产化、自主化。

4.2.5   健全完善乏燃料管理的专门法律

为加强核电站乏燃料的安全管理,确保乏燃料贮存、运输、后处理及高放废物地质处置安全,保障核能健康可持续发展,建议加快《原子能法》的出台步伐,制定人大层面的乏燃料管理法或者国务院层面的乏燃料管理条例。通过立法,明确乏燃料管理的责任主体,对乏燃料及其后处理产品的归属,乏燃料离堆贮存技术选择、贮存设施布局、贮存设施选址中地方政府的职责、乏燃料处理处置基金管理、公众接受等重大的关键性问题作出规定。


第一作者简介:

刘敏,中核战略规划研究总院副研究员,长期从事核行业战略规划与政策体制方面的研究工作。自2011年工作以来,先后获得国防科技工业企业管理创新二等奖、中核集团科学技术二等奖、中核集团管理提升二等奖、中国核能行业协会科学技术三等奖各1项,以第一作者公开发文14篇,曾被评为“中核集团公司信息工作先进个人”。

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