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四代核電：高溫氣冷堆乏燃料后處理的思考

核電生活百科


高溫氣冷堆具有固有安全性，被認為是很有前途的第四代堆型 。但是高溫氣冷堆的產業化發展，將會產生大量的乏燃料，然而目前我國對高溫氣冷堆乏燃料后處理還沒有統一的規劃 。
文 | 石磊 李金英
作者供職于中國核工業集團有限公司
核能作為一種安全、清潔、經濟的新能源，已經得到了全世界的廣泛認可，日漸成為我國能源發展的一個重要方面 。我國核電的發展用了近四十年的時間走過了“三輪引進”之路，自主研發核電技術逐步成長起來 。
其中高溫氣冷堆作為第四代先進反應堆型，以全陶瓷型包覆顆粒為燃料元件，具有固有安全性、用途廣泛等特點，是我國完全自主產權的核電技術 。我國“型譜化”的核電發展路線下，高溫氣冷堆產業化將具有獨特的優勢，未來將成為我國核電發展一個重要方向 。
我國已建成10MW高溫氣冷實驗堆，正在建設200MW高溫氣冷示范堆，原本計劃2017年年底發電 。但由于設備制造、工程拖期等原因，示范堆項目預計2020年年底發電運營 。
此外，我國正在開展600MW商用高溫氣冷堆工程前期準備工作 。目前，600MW商用高溫氣冷堆總體優化設計已經完成 。不針對具體廠址的可行性研究報告工作也接近尾聲 。

后續600MW商用高溫氣冷堆廠址前期工作準備已經如火如荼開展，首選廠址確定在山東，并且備選了廠址在浙江，保證600MW商用高溫氣冷堆項目落地 ?！笆奈濉逼陂g，保守估計至少有3臺600MW的高溫氣冷堆機組開工建設 。
高溫氣冷堆產業化發展將會產生大量的乏燃料元件，這是不可回避的一個重要問題 。所謂的“乏燃料”是核電站/反應堆（含其他動力堆）燃料元件經過一個換料周期使用后，燃耗達到一定程度卸下來的使用過的燃料元件 。乏燃料具有強放射性和毒性，含大量高放射性物質 。這些乏燃料元件對安全、生態環境存在潛在的威脅 。
未來我國在發展高溫氣冷堆的同時，需結合國內、外高溫氣冷堆乏燃料處理和處置技術發展現狀，在綜合考慮技術的可行性、經濟性、安全性和環境友好性等各個方面因素的基礎上，對高溫氣冷堆乏燃料后處理的戰略、技術處理方案進行階段性規劃 。
高溫氣冷堆由于能源密度低和固有安全性的原因，同等裝機規模高溫氣冷堆乏燃料產生量相當于等裝機規模壓水堆乏燃料10倍以上 。以10MW正在運行實驗堆進行統計，年產生乏燃料1.898噸 。“十四五”期間，如開工3臺600MW的高溫氣冷堆機組，運營后每年產生626噸乏燃料，相當于210,000MW壓水堆（也即21個百萬千瓦壓水堆機組）乏燃料年產生量 。
高溫氣冷堆乏燃料后處理策略選擇的主流方向對照傳統乏燃料處理策略，高溫氣冷堆乏燃料后處理戰略分三種：一次通過式、暫時貯存和再循環戰略，結合我國乏燃料后處理戰略，“再循環”戰略是高溫氣冷堆乏燃料處理的主流方向 。
所謂的“一次通過式”，即對乏燃料元件不處理，直接進行深層地質處置 。
暫時貯存方式，即將反應堆卸出的乏燃料先暫存反應堆建筑物最底層的貯存庫內，存放一定時間后，外運到容量較大的離堆貯存設施中繼續暫存，等待若干年后，再做是否進行后處理的決定 。
而再循環乏燃料后處理方式，即經過乏燃料后處理將U、Pu等提取再利用，也稱“閉式”核燃料循環 。國外，如法國、日本、印度已經攻克再循環乏燃料后處理方式技術 。而我國再循環乏燃料后處理方式技術尚處于起步階段，甚至落后印度20年 。

一次通過式高溫氣冷堆乏燃料處理戰略的技術環節少，即卸出來之后不經后處理環節直接密封放到深地層的地質處置庫中進行埋藏，長期儲存 。深地層埋藏就是將乏燃料元件放置在約1000m深的陸地巖層中，適用的地質組成有鹽礦、花崗巖、泥質巖和玄武巖等 。處置庫的建造方法有溶解法、深層鉆孔、利用廢棄礦井等 。
高溫氣冷堆乏燃料暫存戰略分為堆貯存和離堆貯存兩個過程 。由于反應堆卸出的乏燃料具有很高的釋熱量和放射性，必須貯存一段時間才能運輸 。按照相關規定，乏燃料至少要在電站儲存池儲存五年后才能往外運輸到容量較大的離堆暫存設施中 。清華大學建造的10MW的高溫氣冷堆（HTR-10）按貯存9萬個乏燃料元件來設計 。乏燃料元件卸在乏燃料罐內，這些罐暫存在反應堆建筑物最底層的貯存庫內 。
高溫氣冷堆乏燃料“再循環”戰略是將高溫氣冷堆乏燃料經過預處理，分離出非石墨等中低放射性物質，其二氧化鈾核芯進入乏燃料后處理主工藝進行處理 。高溫氣冷堆乏燃料元件分兩層 。外層是不含燃料的石墨球殼；而內區是以石墨為基體的燃料區，在該燃料區中均勻彌散著包覆顆粒 。每個包覆燃料顆粒采用五層構造，包覆顆粒中心是二氧化鈾核芯，外面包覆著3層熱解碳層和1層碳化硅層 。

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