發布時間：2021-03-16所屬分類：經濟論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為更好地推動中國核電事業的發展，消除民眾對核廢料的擔憂，完善上海核電產業鏈，介紹了核廢料的產生和處理方法，分析了國內外核燃料循環后端產業的特點、市場空間和發展態勢，以及上海市發展核燃料循環后端產業的優勢和不足，提出了上海市發展核燃料循
摘要:為更好地推動中國核電事業的發展，消除民眾對核廢料的擔憂，完善上海核電產業鏈，介紹了核廢料的產生和處理方法，分析了國內外核燃料循環后端產業的特點、市場空間和發展態勢，以及上海市發展核燃料循環后端產業的優勢和不足，提出了上海市發展核燃料循環后端產業的重要途徑、重點產品以及相關政策建議，對引導上海相關企業進行合理規劃和科研開發有一定的借鑒意義。
關鍵詞:產業發展;核廢料;核燃料循環
中國作為最大的發展中國家，需要核電來提供長期、安全、清潔、可持續的能源，實現能源結構優化和民族偉大復興。當前，社會上對核廢料的處理非常關注，連續發生的江門、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，妥善處理反應堆的核廢料，保證子孫后代美麗家園的安全，驅散民眾頭上的疑云，便成為決定中國未來核能發展道路的重要因素。
1核廢料的產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堆場址的水池內冷卻一段時間，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，而占絕大多數的238U卻無法有效利用，綜合U資源的利用率還不到1%。據世界能源組織估計，按目前反應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濟性角度考慮，反應堆產生的這些核廢料，尤其是乏燃料，必須得到妥善的處理。具體方法可以總結為以下四個方面:(1)回收和純化沒有用完或尚未轉化的核燃料;(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，經過后處理后，只剩下極少數放射性廢物，大大地減少了高放廢物的數量。乏燃料若直接進行深地質處置，其體積是2.0m3/tU，而經后處理提取U和Pu后，需地質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，可將長壽命核素轉變成短壽命核素，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生的廢水、廢氣外，放射性廢物還產自上游的采礦、精煉、燃料制造與下游的核廢料，核相關設施的退役等過程，甚至連科研活動所產生的放射性廢物，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。據清華大學核能研究設計院統計:我國民用核技術產生的廢料累計約1×104m3，研究開發產生的廢料大概在5000m3左右，軍工生產遺留下的核廢料大約有幾萬立方米，核應用產生的放射源有上萬枚。另外，鈾礦開采時產生的含放射性物質的廢礦石有幾千萬噸，另產生核礦渣幾千萬噸。上述數據，就是目前中國整個核廢料存量的明細賬，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被過濾系統捕獲，但逃逸到環境中的放射性核素輻射強度依然會導致這樣一座火電站的輻射強度比核電站強50倍(數據源自郝卿《核廢料處理方法及管理策略研究》[2])。
根據其放射性強度，核廢料可以分為高中低三檔。不同國家有不同標準，如圖2所示，實際的核廢料的質量比重里絕大部分都是中低放廢物，而最需要關注的高放廢物占3%，絕大多數源于乏燃料。所有的放射性廢物都會根據其化學物理性質、放射性水平不同進行嚴格處理，保證所有排出物質對公眾成員照射所造成的劑量值滿足安全標準[3-4]。
1)廢氣一般為中低放射性，可以暫時貯存讓其自發衰變，或者采用活性炭過濾等方法處理并達標，其放射性已經低于大自然本底，可直接排放到大氣環境中。
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過最嚴格的固化處理(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、易于導出核廢物衰變產生的熱量等。
3發展核燃料循環后端產業的重要意義
大家知道，動力堆燃料循環方法有兩種:一種是不進行后處理的開路循環模式(openfuelcycle);另一種是進行后處理的閉式循環模式(closedfuelcycle)。開路循環模式不進行后處理，乏燃料從反應堆卸出后經過中間儲存和包裝之后直接進行地質處置。
由于燃料循環只通過反應堆一次，U、Pu不回收重復使用，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”循環的經濟性有可能略優于閉式循環，但從核能可持續發展的角度出發，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”循環方式，2006年后美國也正式宣布采取閉式燃料循環方式。采取核燃料閉式循環方式的國家有法國、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之路。還有不少國家尚未確定核燃料循環的技術路線，對核電站乏燃料目前采取暫時儲存的做法[11-12]。此外，對于一些核電規模較小的國家，沒有必要在其國內進行核燃料再循環，可以通過國際合作的方式實現核燃料再循環。
閉式核燃料循環是指乏燃料經過分離處理，將裂變產物分離除去，并將回收得到的鈾和钚重新制成燃料元件返回反應堆復用，因此閉式核燃料循環的核心環節是乏燃料后處理。
根據國家核電中長期發展規劃(2005—2020)，我國將堅持閉式核燃料循環的技術路線，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規模的后處理廠，核電站卸出的乏燃料暫存于核電站的貯存設施中。最近幾年，國家正在積極部署商用后處理廠的建設，以保證核電的長期可持續發展。
3.1近年來核燃料循環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有關的設備和服務的市場。包括前蘇聯和東歐各國在內的一些國家現在已成為世界范圍內的核燃料循環市場的積極參與者。隨著核燃料循環服務新供應商的出現，核燃料循環市場的相互影響變得越來越復雜。例如，在核燃料元件制造方面，其市場越來越開放，反映了貿易和電力的全球自由化。
3.2核燃料循環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，按照當前核電裝機規模，每年將產生約1萬t乏燃料。截至2013年12月，全球乏燃料總量已達到約37萬500t，其中約25萬3700t乏燃料貯存在反應堆旁或離堆貯存，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《核電中長期發展規劃》，我國核電在運行發電量2020年達到5.8GW，在建3.0GW;預計到2025年在運行9.0GW，在建(3.0～4.0)GW;到2030年在運行超過12GW。隨著我國核電事業的快速發展，乏燃料的貯存面臨巨大的挑戰，因此乏燃料后處理就具有巨大的市場潛力。根據現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到9000t左右，且當年乏燃料的產量將達到約1100t。按照國際上后處理費用800～1000美元/kg的標準，預計我國2020年乏燃料后處理市場空間總計將達到(500～700)億元。而一座100MW的核電站一年產生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生的中低放廢物累計約1.3×104m3，預計到2020年累計將達到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準，中國在2020年中低放廢物處置市場規�？蛇_(60～100)億元，在2025年可達(120～200)億元。此外，800t和200t兩座商用后處理廠的建設投資也在1500億元左右。據此測算，“十三五”期間后處理產業鏈整體市場空間總計達到千億級。
3.3解決迫在眉睫的后端需求
我國的《放射性廢物管理規定》第十二條中規定，中、低放固體廢物的貯存期一般不宜超過5年，應適時對廢物進行相應的處理、整備或處置。該《規定》第十四條中還規定:通常中、低放廢物的隔離期不應少于300年;中、低放固體廢物應按“區域處置”的方針實施處置。
目前，我國商業壓水堆所產生的乏燃料有兩種貯存方式，一是放置于核電站區域內的乏燃料水池，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一管理。當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到一定年限時，乏燃料將被轉移到干式容器中運往長期貯存場所或后處理廠。
在核電大發展背景下，我國核電站卸出的乏燃料數量在不斷增長，大部分核電站的在堆貯存水池容量已經超負荷(中國目前是按其可以存儲乏燃料10年設計)，我國核電廠運行已近30年，乏燃料貯存設施已累積了大量乏燃料，大亞灣核電廠乏燃料貯存設施已經達到貯存上限，田灣核電廠乏燃料貯存設施也已接近飽和。已經建成的離堆乏燃料濕法儲存設施也已飽和。目前，四○四原有的500t乏燃料水池已經滿容，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。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重要的因素，急需建設一套先進的、綜合的、多模式的乏燃料運輸體系。
現實問題是，我國核電站最集中的地區在沿海，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沒有利益，誤以為后處理是“核垃圾處理”，只有危害和風險，因此不情愿接納，導致后處理項目落地存在極大困難。不接受外省廢物，已經成了一些地方建設廢物處置場的前提條件。國家原計劃建設西南、西北、華東、華南、北方五個區域處置場，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模的乏燃料商用后處理廠[13]。乏燃料處理工廠的建設已經迫在眉睫。但無論是自主技術還是中法合作，乏燃料后處理大廠投資強度均超過普通核電站，建設周期超過10年，投資額更是動輒數千億元。
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業的增長。
后處理產業鏈的快速發展和大力投入將成為第二輪核電發展高峰的顯著特征，其中高放核廢料處理難度大，技術含量高，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配。目前大亞灣和秦山基地正在進行相應規劃。
4上海發展核燃料循環后端產業的路徑
上海是國內集核工程設計、核設備制造和核工程人才培養于一體的地區。目前上海核電產業已基本形成了核電研發設計、工程承包、核電材料、設備制造、測試認證、運行服務及人才培養等諸多環節的較完整的核電產業鏈。具有較豐富的人才資源;上海的區位優勢和金融中心等都為上海發展核電產業創造了良好的環境。上海市核電辦公室承擔著行業規劃、項目管理及核電科普宣傳等職能，近年來也密切關注著核燃料循環后端產業發展對上海核電產業帶來的機遇與挑戰。上海市將從政府層面聯合重點企業，積極和國家科工局以及中核集團建立戰略合作關系，積極參與到在乏燃料后處理設備研發領域和設備國產化領域，積極參與到商用后處理廠項目建設中去。主要有以下幾點考慮:
4.1跟蹤后處理產業政策動態，制訂后處理產業發展規劃
十八大以來，黨中央、國務院采取多項舉措穩增長、調結構，大力支持高科技產業發展，推動國家經濟轉型升級。關于核燃料循環項目的政策和規劃不斷明確和具體。在政策層面，2016年7月，國務院印發《“十三五”國家科技創新規劃》國發〔2016〕43號[14]。乏燃料后處理技術列入“清潔高效能源技術”，提出要“穩步發展核能與核安全技術及其應用”，重點包括“后處理技術研發及應用”，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，乏燃料后處理已經明確寫入“十三五”規劃綱要，上升至國家戰略層面，有助于產業鏈崛起。上海市相關政府部門和企業目前正積極關注和學習國家后處理的相關政策，及時關注后處理產業最新發展動態，不斷探索上海市為我國推進后處理產業做貢獻的路徑，積極加入到乏燃料后處理產業中去。
上海已經將發展乏燃料后處理產業納入上海核電十三五規劃，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、相關泵閥、電氣控制設備、化工容器，后處理材料等領域的產品研發和制造。通過舉辦國際核燃料循環論壇，交流最新技術成果和產業動態，推動產業對接;以規劃引領，做好頂層設計。
4.2充分發揮高校、研究院所集中優勢，提前布局相關技術研究
上海核工程研究設計院、上海交通大學、華東理工大學、上海材料研究所、上海硅酸鹽研究所、中科院上海應用物理研究所等單位在乏燃料后處理技術方面都有不同程度介入，有的還已經作為重點學科和重點科研項目在推進。例如，上海核工程研究設計院從秦山核電開始，就深入開展相關研究，成功為秦山三期設計了乏燃料干式貯存系統，目前正在重點開展三代核電燃料干式系統關鍵設備構設計和安全分析，形成了一套可行的壓水堆乏燃料干式系統方案。上海應用物理研究所提出釷基熔鹽堆(TMSR)燃料處理流程，采用在線-離線結合、干法-水法互補原則進行技術攻關。建立了高溫氟化反應實驗裝置，確定了梯度冷凝的產物收集和鈾氟化揮發過程中紅外在線分析監測技術，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。上海交通大學核燃料循環研究室主要從事先進的乏燃料后處理技術、高放廢液分離、錒系及裂變產物元素的化學行為、放射性核素分離用高性能吸附材料研制等研究工作。研究領域包括圍繞快堆燃料循環體系的先進后處理技術研究、長壽命次錒系及核裂變產物核素的分離研究、新型吸附分離材料研發、調控離子價態的高效電解裝置研發、放射能污染水處理技術及裝置的研發、先進醫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研究院共建了“放射化學聯合實驗室”，具備從事放射化學實驗的國家丙級實驗室資質。——論文作者：顧銀祥
相關期刊推薦：《南方能源建設》SouthernEnergyConstruction(季刊)2014年創刊，辦刊宗旨立足于為能源行業尤其是電力行業工程建設提供技術支持和信息服務，推廣新理論、新技術的工程應用，提高我國能源建設質量的技術水平。主要面向全國能源行業尤其是電力行業設計、建設、制造等企業、以及相關的研究機構和高等院校的廣大工程技術人員、管理人員、專家學者等。
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