國(guó)外核電廠乏燃料貯存方式對(duì)比研究

徐 健，王 偉，黃慶勇，王祎峰

(1.國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局核技術(shù)支持中心，北京 100160；2.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000)

核電廠運(yùn)行必然產(chǎn)生大量乏燃料，安全管理乏燃料對(duì)于核電安全穩(wěn)定運(yùn)行、核工業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展有著舉足輕重的作用。作為核燃料循環(huán)后段的一個(gè)環(huán)節(jié)，乏燃料中間貯存是乏燃料管理的重要環(huán)節(jié)。隨著世界各核電大國(guó)核燃料循環(huán)政策的調(diào)整，乏燃料中間貯存在核燃料循環(huán)中的地位日趨重要。一方面，中間貯存減少了后處理過程因放射性而帶來的一系列操作問題，使后處理在經(jīng)濟(jì)上更為合理。另一方面，中間貯存為后處理和處置技術(shù)開發(fā)、政策制定、技術(shù)路線選擇、后處理廠選址和建設(shè)等預(yù)留了充裕的時(shí)間。

乏燃料貯存方式按照貯存介質(zhì)包括干法和濕法兩種，按照與核電廠址關(guān)系又分為在堆和離堆兩種。其中干法貯存由于技術(shù)發(fā)展而衍生出不同的類型，世界各國(guó)已建成的干式貯存設(shè)施主要有空氣冷卻貯存室、干式混凝土容器、干井及金屬容器等。由此可見，乏燃料中間貯存方式正趨于多樣化。

目前，我國(guó)核電建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，但由于對(duì)核電廠乏燃料后續(xù)管理技術(shù)研究起步較晚，處理處置能力建設(shè)滯后于核電發(fā)展。因此，乏燃料中間貯存的技術(shù)研發(fā)和能力建設(shè)受到各方高度關(guān)注。

1 乏燃料貯存技術(shù)簡(jiǎn)介

所有核動(dòng)力堆都配備建造有與反應(yīng)堆運(yùn)行相關(guān)的某種形式的乏燃料貯存水池(在堆貯存水池)。近年來，全球很多在運(yùn)核電廠在堆(At Reactor)貯存水池均滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，影響了核電廠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，有必要開發(fā)離堆(Away From Reactor)貯存。

已開發(fā)的離堆貯存技術(shù)有兩種。最初貯存方法仍然是濕法貯存，隨著技術(shù)和理念的發(fā)展，不同類型的干法貯存技術(shù)也得到了發(fā)展。離堆貯存包括反應(yīng)堆廠址(Reactor-site，RS)建造附加中間貯存設(shè)施和廠址外(off-site)獨(dú)立地址貯存設(shè)施兩種。

無論濕法貯存還是干法貯存都必須滿足：1)在裝卸和暴露于腐蝕環(huán)境期間，應(yīng)保持乏燃料包殼的完整性；2)在貯存期間，為防止乏燃料老化，應(yīng)提供足夠的冷卻，使池水溫度不超過管理目標(biāo)值；3)在正常和事故狀態(tài)下，保持乏燃料處于次臨界狀態(tài)；4)設(shè)置乏燃料的輻射屏蔽，確保操作人員、公眾和環(huán)境的輻射劑量不超過管理目標(biāo)值；5)通過最小化同位素的釋放，確保環(huán)境安全；6)確保乏燃料可回取性。

如前所述，濕法貯存包括核電廠廠址上在堆水池(AR)和廠址上/遠(yuǎn)離廠址離堆(AFR)貯存兩種。大多數(shù)AR貯存水池與反應(yīng)堆同時(shí)建成一體運(yùn)行。按照目前技術(shù)，濕法貯存特別是作為后處理廠附屬設(shè)施的離堆濕法貯存，是乏燃料從反應(yīng)堆卸除冷卻和進(jìn)行后處理前的必要貯存方式。目前，濕法貯存已經(jīng)是非常成熟且通用的技術(shù)。

近年來，干法貯存技術(shù)研發(fā)進(jìn)展顯著。由于經(jīng)濟(jì)原因，研發(fā)出各種滿足不同反應(yīng)堆乏燃料特定貯存要求的干法貯存技術(shù)，如允許的包殼最高溫度、氣體環(huán)境(空氣、CO2、氦氣)等。出現(xiàn)了筒倉(cāng)類、貯存室類和容器類等不同技術(shù)路線，金屬容器式和混凝土容器式，以及貯存運(yùn)輸單一或復(fù)合式多用途貯存系統(tǒng)，如具有雙重功能屏蔽容器的德國(guó)CASTOR屏蔽容器，比利時(shí)的TN 24容器和美國(guó)的NAC-STC容器等，可用于貯存和轉(zhuǎn)運(yùn)，以及從貯存設(shè)施開始運(yùn)輸，甚至某些貯存設(shè)施的乏燃料容器可用于運(yùn)輸和(或)最終處置，它們常被稱為多用途系統(tǒng)。

綜上所述，整個(gè)核電廠乏燃料貯存分為在堆濕法貯存、離堆濕法貯存及干法貯存等不同技術(shù)路線，相互間關(guān)系如圖1所示。

圖1 乏燃料貯存不同技術(shù)路線關(guān)系圖Fig.1 Relations of different technical routes for the spent fuel storage

2 國(guó)外乏燃料貯存管理現(xiàn)狀

受全球后處理及處置能力不足的制約，各核電大國(guó)核電廠卸出的乏燃料量大多都已經(jīng)接近或超過核電廠在堆水池貯存容量，面臨著乏燃料的去向問題。各核電國(guó)家經(jīng)過多年經(jīng)驗(yàn)積累，在明確核燃料循環(huán)政策基礎(chǔ)上，逐步摸索出了適合于本國(guó)國(guó)情的乏燃料貯存管理技術(shù)路線。

2.1 美國(guó)乏燃料管理

美國(guó)一直是全球核電機(jī)組裝機(jī)容量最大的國(guó)家，截至2019年年底，核電總凈裝機(jī)容量達(dá)99 061 MW，占總發(fā)電量19.3%。所有核電廠累計(jì)產(chǎn)生約8.4萬t乏燃料，并以每年2 000 t數(shù)量增加。此外，還包括進(jìn)行深地質(zhì)處置海軍核動(dòng)力艦船卸出的近30 t乏燃料。其中，濕法貯存4.5萬t，其余采取干式貯存。

1977年，美國(guó)暫停了國(guó)內(nèi)乏燃料后處理，自此所有核電廠運(yùn)行產(chǎn)生的乏燃料只能進(jìn)行長(zhǎng)期中間貯存，核電廠必須按法規(guī)要求自行解決乏燃料離堆貯存問題。

為解決乏燃料離堆貯存能力短缺的困境，1997年，經(jīng)政府批準(zhǔn)，相關(guān)企業(yè)組成的私人乏燃料貯存有限責(zé)任企業(yè)(PFS)向NRC提交了獨(dú)立乏燃料貯存處理設(shè)施(ISFSI)(見圖2)許可申請(qǐng)。2006年，該許可才得以頒發(fā)。同時(shí)，在新的國(guó)家政策尚未明確情況下，必須繼續(xù)對(duì)全國(guó)73個(gè)反應(yīng)堆廠內(nèi)干法貯存設(shè)施進(jìn)行擴(kuò)建，以提高貯存能力。迄今已建成71個(gè)在運(yùn)獨(dú)立乏燃料干式貯存設(shè)施。

圖2 美國(guó)福特圣瓦倫ISFSI干法貯存設(shè)施和內(nèi)部圖Fig.2 The dry storage facility and the interior of the Ford St. Warren ISFSI in the USA

此外，經(jīng)能源部批準(zhǔn)，美國(guó)核能協(xié)會(huì)(NEI)等相關(guān)組織聯(lián)合私營(yíng)企業(yè)研究提出了集中式乏燃料管理策略和一系列干式乏燃料貯存技術(shù)，為確保乏燃料安全管理提供了技術(shù)保障。該策略思路是：繼續(xù)進(jìn)行乏燃料接收和管理，并行開發(fā)最終處置庫(kù)，同時(shí)就乏燃料選擇后處理還是地質(zhì)處置及具體方式開展深入研究和論證。其中，美國(guó)Energy Solution公司提出了一體化乏燃料管理系統(tǒng)(如圖3所示)。即：在反應(yīng)堆廠房或燃料廠房?jī)?nèi)使用特殊的自動(dòng)封裝模塊將單個(gè)乏燃料組件用單獨(dú)的密封罐封裝，密封罐經(jīng)密封、干燥、充入惰性氣體后放回貯存水池冷卻一定時(shí)間后取出放入乏燃料運(yùn)輸容器內(nèi)，運(yùn)至干法貯存設(shè)施模塊化貯存室(MSV)內(nèi)貯存。

圖3 乏燃料一體化管理策略路線圖Fig.3 The roadmap of spent fuel integrated management strategy

該策略雖然不能從根本上解決乏燃料處理處置問題，但通過充分利用干式貯存技術(shù)的布置靈活性和很強(qiáng)的適用性特點(diǎn)，為乏燃料長(zhǎng)期安全管理提供了戰(zhàn)略緩沖機(jī)會(huì)。

2014年9月，美國(guó)核管會(huì)(NRC)在現(xiàn)有法規(guī)基礎(chǔ)上，修訂頒布了《乏燃料干法長(zhǎng)期貯存》實(shí)施細(xì)則，重點(diǎn)考慮了三種不同貯存期限乏燃料貯存方案，最終達(dá)到即使假定沒有可用的處置庫(kù)，乏燃料也能長(zhǎng)期安全中間暫存。

目前，美國(guó)新產(chǎn)生的乏燃料均采用干式離堆貯存方式，有超過70%核電廠建造了乏燃料干式貯存設(shè)施，另有約2萬t水池貯存的乏燃料將轉(zhuǎn)入干式貯存設(shè)施。

據(jù)美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)網(wǎng)站2021年8月18日?qǐng)?bào)道，近日，該實(shí)驗(yàn)室接收了能源部(DOE)提供的未經(jīng)使用的乏燃料貯存罐，以加速正在開展的乏燃料長(zhǎng)期貯存項(xiàng)目研究。這種貯存罐原本并不是為乏燃料永久貯存而設(shè)計(jì)。ORNL研究團(tuán)隊(duì)表示，通過建模模擬，對(duì)包括蠟熔化物、金屬熔融物、低熔點(diǎn)玻璃等可加熱材料的效果進(jìn)行研究。實(shí)現(xiàn)大幅延長(zhǎng)乏燃料貯存罐貯存時(shí)間，達(dá)到長(zhǎng)達(dá)一百萬年永久貯存目標(biāo)。

中核智庫(kù)8月2日?qǐng)?bào)道：美國(guó)核管會(huì)(NRC)于2021年7月批準(zhǔn)了中間貯存公司(Interim Storage Partners)提交的在得克薩斯州安德魯斯(Andrews)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)一座總?cè)萘繉⑦_(dá)4萬噸的乏燃料中間干法貯存設(shè)施的申請(qǐng)。

2.2 俄羅斯乏燃料管理

俄羅斯堅(jiān)持“閉式循環(huán)”核燃料循環(huán)政策，并認(rèn)為乏燃料是一種潛在的資源。截至2019年5月，俄羅斯有37臺(tái)核電機(jī)組在運(yùn)行，占總發(fā)電量17%。另有9座反應(yīng)堆正在建設(shè)之中(包括一座800 MW快中子增殖堆)。

2003年1月，俄羅斯頒布了《乏燃料干法貯存設(shè)施安全要求規(guī)范》(HP 035-02),這是第一個(gè)干法貯存政策文件，明確了乏燃料干法貯存設(shè)施設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和退役的要求。2008年12月俄羅斯國(guó)家原子能公司(Rosatom)頒布《乏燃料管理概念》(第721號(hào)法令)再次確認(rèn)后處理“閉式循環(huán)”政策。

俄羅斯乏燃料主要來源于核電廠、研究堆和核動(dòng)力破冰船隊(duì)等。大多數(shù)核電廠乏燃料貯存在在堆貯存水池中，2011年，熱列茲諾戈?duì)査箍说娜萘繛?600噸RBMK(BWR)乏燃料干法貯存設(shè)施正式投運(yùn)。目前，核電廠在堆貯存設(shè)施及集中貯存累積21 714噸乏燃料。在Lepse、Lotta和Imandra三個(gè)浮式維修基地還貯存了一定數(shù)量核動(dòng)力破冰船乏燃料。截至2018年年初，累計(jì)產(chǎn)生乏燃料量達(dá)25 113 tHM，這還不包括軍用核動(dòng)力新卸載下來的乏燃料。見圖4。

圖4 俄羅斯企業(yè)中的乏燃料Fig.4 Spent fuels of Russian enterprises

俄羅斯西北部地區(qū)由于核武器和核潛艇研制,大約留存有6萬多根核潛艇乏燃料元件。自20世紀(jì)80年代起，俄羅斯就在這些地區(qū)開展核潛艇的拆卸等活動(dòng)，造成部分地區(qū)環(huán)境嚴(yán)重污染。針對(duì)環(huán)境污染和潛艇中拆卸乏燃料量而貯存能力嚴(yán)重短缺等問題，西方國(guó)家與俄方溝通，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對(duì)比，由于新建濕式貯存設(shè)施費(fèi)用比干式貯存設(shè)施方案要高80%，且干法貯存具有放射性釋放較低，廢物生成少，工作人員和環(huán)境造成的放射性劑量比較小等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。最終確定在俄羅斯馬亞克后處理廠建造新的干式貯存設(shè)施，并分兩期進(jìn)行建設(shè)，兩期設(shè)計(jì)容量均為33 750個(gè)乏燃料組件貯存能力。

該設(shè)施由西方國(guó)家提供資金，英國(guó)核燃料有限(BNFL)公司、瑞典的SKB公司、法國(guó)SGN公司一起合資成立的工業(yè)集團(tuán)(1G)公司，聯(lián)合俄羅斯圣彼得堡基礎(chǔ)工程公司(VNIPIET)共同設(shè)計(jì)。截至2017年年底，已貯存400多噸乏燃料，由于國(guó)際形勢(shì)變化，現(xiàn)在IG工業(yè)集團(tuán)與俄羅斯正在討論如何繼續(xù)開展后續(xù)工作。

在該干式地下貯存設(shè)施運(yùn)行過程中，面臨的主要問題是如何把乏燃料運(yùn)到馬亞克。即使按照年運(yùn)輸100～200個(gè)集裝箱運(yùn)輸能力，現(xiàn)有的鐵路運(yùn)輸線、運(yùn)輸專列和乏燃料運(yùn)輸容器足夠的情況下，也要持續(xù)幾十年才能完成。

2.3 法國(guó)乏燃料管理

法國(guó)是名副其實(shí)的核大國(guó)，由于國(guó)內(nèi)鈾資源量有限，法國(guó)始終堅(jiān)持閉式核燃料循環(huán)政策，強(qiáng)調(diào)乏燃料是一種資源，并通過《廢物法》從國(guó)家層次確認(rèn)了對(duì)乏燃料采取后處理/循環(huán)利用的國(guó)策。根據(jù)規(guī)定，法國(guó)出臺(tái)了國(guó)家放射性材料和廢物管理計(jì)劃(PNGMDR)，明確要求必須根據(jù)不同乏燃料的特征來選擇和制定具體管理策略，這表明，并非所有類型的乏燃料都要進(jìn)行后處理。

截至2018年年底，法國(guó)有58座在運(yùn)核電廠，占全國(guó)總發(fā)電量的71%以上,平均每年產(chǎn)生約1150 t乏燃料。同時(shí)，法國(guó)作為全球最大民用乏燃料后處理國(guó)家，為包括德國(guó)、日本在內(nèi)很多國(guó)家提供乏燃料后處理服務(wù)，并在乏燃料管理方面開發(fā)了相關(guān)技術(shù)體系，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

法國(guó)僅在卡達(dá)拉齊(CADARACHE)建有一座貯存能力為180 t重金屬的干式貯存設(shè)施(CASCAD)，用于貯存重水研究堆乏燃料(如圖5所示)。該設(shè)施建于1990年，設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間為50年，乏燃料貯存在319個(gè)貯存罐內(nèi)，整個(gè)貯存室長(zhǎng)35 m，寬25 m，高16 m，分檢查區(qū)，操作區(qū)，貯存區(qū)和通風(fēng)區(qū)。

圖5 法國(guó)CASCAD干法貯存設(shè)施Fig.5 The CASCAD dry storage facility in France1—容器接收；2—把容器轉(zhuǎn)入閘門小室；3—檢查容器沾污和元件損壞情況；4—把容器送入處理室；5—遙控打開容器；6—轉(zhuǎn)移燃料組件；7—安防護(hù)塞；8—安裝密封塞；9～12—取出空容器

除此之外，其余乏燃料均為濕法貯存方式，包括同樣位于卡達(dá)拉奇(CADARACHE)核能研究中心的CARES濕法貯存水池，以及阿格后處理廠(La Hague)的UP2和UP3的貯存水池，法國(guó)超鳳凰(SUPERPHéNIX)快堆1997年停運(yùn)后產(chǎn)生的所有乏燃料，目前貯存在法國(guó)電力公司的Creys-Malville場(chǎng)址貯存水池中。

法國(guó)乏燃料貯存設(shè)施包括核電廠在堆貯存設(shè)施、離堆貯存設(shè)施及后處理廠貯存設(shè)施等。

其中，法國(guó)電力公司(EDF)負(fù)責(zé)核電廠在堆乏燃料貯存管理，將在堆貯存水池冷卻后的乏燃料組件運(yùn)往La Hague后處理廠進(jìn)行后處理。原子能委員會(huì)(CEA)負(fù)責(zé)研究堆乏燃料管理，按規(guī)定將乏燃料貯存在卡達(dá)拉奇(Cadarache)現(xiàn)場(chǎng)離堆乏燃料干式貯存庫(kù)(CASCAD)及水池貯存設(shè)施(CARES貯存池)內(nèi)，以待運(yùn)到La Hague后處理廠進(jìn)行后處理。阿?，m(現(xiàn)為歐安諾，Orano)負(fù)責(zé)乏燃料運(yùn)至La Hague后的管理。

阿格后處理廠所有乏燃料均貯存在UP3-A、UP2-800和STE3乏燃料接收和貯存廠房?jī)?nèi)，總貯存能力達(dá)到1.76萬t。具體情況見表1。

表1 法國(guó)阿格廠乏燃料池貯存能力

3 兩種貯存方式經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

3.1 國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)對(duì)乏燃料貯存經(jīng)濟(jì)性的相關(guān)考慮

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)認(rèn)為：乏燃料貯存設(shè)施的各種費(fèi)用可以按費(fèi)用類別和費(fèi)用構(gòu)成部分來分類。費(fèi)用類別包括初始開發(fā)費(fèi)、投資費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)、后續(xù)開發(fā)費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)和退役費(fèi)。每一類別內(nèi)又有各種構(gòu)成部分，初始開發(fā)費(fèi)的構(gòu)成部分包括許可證申請(qǐng)費(fèi)和審管費(fèi)等，如果審管部門繼之要求每年繳費(fèi)，則許可證申請(qǐng)費(fèi)和審管費(fèi)也將影響到運(yùn)行費(fèi)；投資費(fèi)構(gòu)成部分包括土地征用、場(chǎng)地準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)和工程，建造和施工、工藝設(shè)備、儀表設(shè)備及調(diào)試；運(yùn)行費(fèi)構(gòu)成部分包括勞力、器材、服務(wù)、能源、維修、廢物的形態(tài)調(diào)整和處置、稅率和保險(xiǎn)及質(zhì)量保證。

運(yùn)行費(fèi)用是在乏燃料貯存設(shè)施建成并投入運(yùn)行后才發(fā)生的費(fèi)用。燃料貯存前的開支主要是將燃料從核動(dòng)力廠運(yùn)到貯存設(shè)施的費(fèi)用。燃料貯存期間的開支起因自前面提到的各項(xiàng)構(gòu)成部分。在貯存設(shè)施使用期結(jié)束時(shí)，必須為燃料的最終處理(后處理或處置)支付新的運(yùn)費(fèi)。在燃料最終運(yùn)走后，設(shè)施必須退役，在一些國(guó)家中，這筆退役費(fèi)被計(jì)入運(yùn)行費(fèi)中核算。

貯存設(shè)施的貯存容量是運(yùn)行費(fèi)中一個(gè)非常重要的因素，而貯存方案則是影響運(yùn)行費(fèi)用的一個(gè)決定性因素。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)認(rèn)為乏燃料貯存設(shè)施的運(yùn)行費(fèi)用與貯存容量有著密切的關(guān)系，無論何種貯存方式(干式還是濕式)，都應(yīng)將設(shè)施使用期內(nèi)歷年運(yùn)行費(fèi)用貼現(xiàn)相加，得出運(yùn)行期內(nèi)的總運(yùn)行費(fèi)用，然后除以貯存庫(kù)容量(即費(fèi)用“均攤”)。利用這種方法，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)針對(duì)乏燃料干式貯存的干井、筒倉(cāng)和金屬容器三種類別進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明干井式干法貯存方式的貯存費(fèi)用最高，金屬容器式干法貯存方式的貯存費(fèi)用最低。見圖6。

圖6 全部運(yùn)行費(fèi)用與容量的關(guān)系Fig.6 Relations between the total operating cost and capacity

由上可見，國(guó)際上通行的干法貯存和濕法水池貯存兩種乏燃料貯存技術(shù)路線，無論從管理實(shí)踐、運(yùn)行維護(hù)和相關(guān)設(shè)備制造來看，都是非常成熟的。

3.2 運(yùn)行階段兩種貯存方式經(jīng)濟(jì)性比較

按照國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的思路，核電廠乏燃料貯存設(shè)施在運(yùn)行階段的費(fèi)用包括勞力、器材、服務(wù)(監(jiān)測(cè)檢測(cè)等)、能源(動(dòng)力費(fèi))、維修、廢物的形態(tài)調(diào)整和處置、稅率和保險(xiǎn)及質(zhì)量保證等。在此，以650 t的鈾貯存能力的設(shè)施為核算前提，對(duì)干法和濕法兩種貯存技術(shù)路線離堆貯存的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，具體如下：

(1)濕法離堆貯存設(shè)施

根據(jù)相關(guān)核電廠乏燃料濕法水池貯存運(yùn)行設(shè)施調(diào)研，貯存能力為650 tHM的乏燃料貯存水池，前期一次性投入大約為6億～6.5億元人民幣(不包括運(yùn)輸容器采購(gòu)費(fèi)用)。估測(cè)年度運(yùn)行費(fèi)約為5 400萬人民幣，其中包括人員工資和福利費(fèi)、動(dòng)力費(fèi)及其他費(fèi)用。具體如表2所示。

表2 濕法貯存年度運(yùn)行費(fèi)用表

此外，考慮到設(shè)施關(guān)閉或運(yùn)行中間過程中，濕法貯存水池中水以及貯存格架作為放射性廢物，其產(chǎn)生量較大且種類較多，也需要作為成本進(jìn)行計(jì)算。

(2)干法離堆貯存設(shè)施

國(guó)外相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)貯存能力為650 tHM金屬容器的乏燃料貯存設(shè)施，前期一次性投入大約為9.5億～10億元人民幣(其中包括容器采購(gòu))。后期的年度運(yùn)行費(fèi)用大約為2 500萬人民幣。運(yùn)行費(fèi)用包括人員工資和福利費(fèi)、動(dòng)力費(fèi)及其他費(fèi)用。具體如表3所示。

表3 干法貯存年度運(yùn)行費(fèi)用表

當(dāng)然，干法貯存也可以選擇分批投入，一次性投入較少。此外干法貯存設(shè)施在關(guān)閉退役后，需要處理處置的放射性廢物主要是混凝土、不銹鋼等固體廢物，其中大量的可以清潔解控再利用，因此從放射性廢物處理處置角度來看也較為經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，通過干法貯存，可推遲乏燃料后處理或直接處置的時(shí)間，從而節(jié)省大量的資金成本。

4 兩種貯存方式對(duì)比

4.1 主要特點(diǎn)

濕法貯存一般用添加硼酸的去離子水作為中子吸收劑，增大中子吸收強(qiáng)度，預(yù)防臨界事故發(fā)生。其最大特點(diǎn)是：用水作為冷卻劑和輻射防護(hù)層，是乏燃料貯存與后處理銜接的必然環(huán)節(jié)，因此，乏燃料濕法貯存是離堆貯存方式中能夠與后處理設(shè)施同址建設(shè)。如圖7所示。

圖7 核電廠乏燃料在堆貯存水池Fig.7 The on-site spent fuel storage pool of a nuclear power plant

濕法貯存管理環(huán)節(jié)有：運(yùn)輸?shù)劫A存點(diǎn)，公鐵換裝責(zé)任轉(zhuǎn)移；運(yùn)輸容器到貯存廠房，吊裝容器到冷卻池，檢測(cè)并充水后吊裝至卸料池，吊裝乏燃料組件到貯存池。

干法貯存主要特點(diǎn)是：用氣體或空氣而不用水作為冷卻劑(通常用惰性氣體如氦氣，或者如氮?dú)夥乐狗θ剂腺A存過程中發(fā)生氧化)，用金屬或混凝土而不用水作為輻射防護(hù)層。通常，必須將乏燃料貯存在水池中冷卻若干年，才能進(jìn)行干法貯存。如圖8所示。

圖8 干法貯存技術(shù)示意圖Fig.8 The schematic of dry storage technique

干法貯存管理環(huán)節(jié)有：場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸乏燃料到貯存設(shè)施(貯運(yùn)一體除外)；從運(yùn)輸容器中將組件吊裝入貯存容器；啟動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，乏燃料組件進(jìn)入離堆中間貯存狀態(tài)。

4.2 運(yùn)行安全管理

由于干法和濕法兩種乏燃料貯存方式的冷卻介質(zhì)不同，直接影響乏燃料的安全管理。

濕法貯存安全性主要表現(xiàn)為：1)確保貯存池水不泄漏，并保持乏燃料持續(xù)位于安全水位下；2)確保貯存池水中子吸附能力強(qiáng)，避免發(fā)生臨界反應(yīng)；3)在事故情況下，確保冷卻水供應(yīng)，防止乏燃料熔化。必須通過強(qiáng)化管理和嚴(yán)格執(zhí)行運(yùn)行具體規(guī)程，確保濕法貯存的安全運(yùn)行。

干法貯存方式中，由于貯存期間不產(chǎn)生常規(guī)廢物、固體廢物、液體或氣態(tài)流出物。因此不需要流出物處理和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)施運(yùn)行安全性重點(diǎn)在確保通風(fēng)，須通過對(duì)貯存系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的日常目視檢查，確認(rèn)無雜物阻礙，確保通風(fēng)順暢。貯存模塊沒有需要周期性檢修的能動(dòng)部件，最大限度地減少維修活動(dòng)造成的職業(yè)劑量。貯存模塊的密封設(shè)計(jì)，確保乏燃料在貯存期間無任何放射性物質(zhì)外排。模塊化設(shè)計(jì)確保單個(gè)模塊和整體系統(tǒng)的屏蔽能力不會(huì)造成任何設(shè)施外照射。

綜上所述，干法和濕法兩種貯存方法主要特點(diǎn)對(duì)比總結(jié)如表4所示。

表4 兩種貯存方法特點(diǎn)比較

綜合分析，兩種貯存方式在技術(shù)方面都是比較成熟的，從經(jīng)濟(jì)性比較，濕法由于基建投資、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)高，產(chǎn)生廢物量大且退役難度大，對(duì)短期和中期貯存而言，干法貯存整體因其模塊化而具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。從技術(shù)上比較，干法貯存是一種非常靈活且適應(yīng)性更好的貯存方式，它提供了最方便和有效的貯存方式，能夠適應(yīng)不同的情況變化。從安全性比較，由于冷卻介質(zhì)的不同，影響設(shè)施靈活性和安全性，無論是人員照射劑量還是環(huán)境影響程度，干法貯存都具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。從與后處理廠的銜接上，濕法貯存可以與后處理設(shè)施同址建設(shè)，便于安全操作乏燃料進(jìn)入后處理。

5 結(jié)論及建議

我國(guó)堅(jiān)持閉式循環(huán)的核燃料循環(huán)政策，作為資源，乏燃料的有效管理和利用是我國(guó)解決核能發(fā)展過程中資源瓶頸的重要手段。乏燃料安全貯存作為核燃料循環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié),是核電乃至核能事業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)。

從上述分析來看，在同等貯存容量的情況下，干法離堆貯存設(shè)施在運(yùn)行階段要比濕法離堆貯存設(shè)施相對(duì)具有經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，從最終關(guān)閉退役角度看，由于濕法貯存涉及到水池中水的監(jiān)測(cè)和處理，二次廢物產(chǎn)生量較大，而干法貯存由于二次廢物產(chǎn)出量極少，更具有經(jīng)濟(jì)性。

乏燃料濕法貯存是乏燃料卸出堆芯后進(jìn)行一定時(shí)期冷卻的必要環(huán)節(jié)，是在現(xiàn)有后處理技術(shù)條件下對(duì)乏燃料進(jìn)行后處理前的必須貯存方式，是必不可少的。干式貯存作為濕法貯存的有益且必要的補(bǔ)充方式，由于其獨(dú)具的靈活性、廢物少量化及經(jīng)濟(jì)性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)成為全球核電大國(guó)開展乏燃料中間長(zhǎng)期暫存的優(yōu)先選擇。

對(duì)我國(guó)來說，由于目前后處理和處置能力有限，核燃料循環(huán)技術(shù)應(yīng)用研究的局限性。從資源回收利用的角度看，乏燃料中間暫存是必不可少的甚至是長(zhǎng)期的選擇?？紤]到今后一段時(shí)期我國(guó)核電發(fā)展的規(guī)模和速度，提出如下建議：

1)盡快制定乏燃料管理法律法規(guī)，明確乏燃料貯存政策、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及安全保險(xiǎn)等制度，從頂層設(shè)計(jì)上為乏燃料貯存技術(shù)研發(fā)和工程建設(shè)提供指導(dǎo)，防止研發(fā)技術(shù)及其應(yīng)用太分散導(dǎo)致資源浪費(fèi)。

2)開展乏燃料干法貯存技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)建立，包括容器研制、設(shè)施建造、人才培養(yǎng)等，為順利實(shí)施離堆集中乏燃料干法貯存示范工程建設(shè)、全面吸收并自主掌握干法貯存相關(guān)技術(shù)提供工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)保障。

3)著手開展濱海集中式貯存設(shè)施建設(shè)的前期研究工作，包括運(yùn)輸和貯存方式、投資比例、運(yùn)行管理模式等內(nèi)容。解決核電廠乏燃料中長(zhǎng)期貯存困境。

4)綜合考慮與后處理設(shè)施銜接和長(zhǎng)距離運(yùn)輸能力，進(jìn)一步加強(qiáng)乏燃料濕法貯存能力建設(shè)。

綜上所述，安全貯存乏燃料涉及我國(guó)閉式循環(huán)的核燃料循環(huán)政策的落實(shí)，掌握相關(guān)技術(shù)對(duì)我國(guó)國(guó)內(nèi)核電和核能事業(yè)的安全有序發(fā)展、乃至核電“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施具有非常重要的意義。