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处理核废料如何“闭式循环” 院士称中国落后印度
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(博讯北京时间2016年10月17日 转载)
    
    处理核废料如何“闭式循环” 院士称中国落后印度

(大亚湾核电站。图片来源:视觉中国)
    

在世界范围内,废料处置尚未有完美方案,核电让民众心存忌惮,但在可再生能源尚不能独立支撑世界能源安全之时,其经济和环境优势又无法被替代
    
    近日,《科技日报》的一篇报道“中国院士宣称中国核燃料后处理比印度落后10多年”引发热议,报道称,乏燃料具有很强的放射性,如果处置不当将引发难以估量的灾难。对于这个“魔鬼”,国际上有两种办法:一是永久禁锢在地下,二是“招安”部分可用之才。
      
    目前,全球主要的核国家都有乏燃料处理装置,包括法国、美国、英国、俄罗斯、日本。印度早在十几年前就建成了3个百吨级的处理厂,而中国仅有甘肃一个50吨级的处理厂,远远无法满足商业核电站的乏燃料处理需求。
      
    财新记者采访多位专家了解到,中国在核电发展中坚持核燃料闭式循环路线,建设乏燃料后处理厂是循环路线能否走通的关键一步。但在对核电乏燃料和核废料处置尚未有完美方案的前提下,核电让民众心存忌惮,此前中法合作建设的800吨大型乏燃料后处理项目就在连云港遭到当地居民的激烈抵制,最终选址工作被暂停。
      
    目前,有观点认为核电的发展不能冒进,甚至应该通过发展风电、太阳能等可再生能源的方式代替核电,但在可再生能源尚不能独立支撑世界能源安全之时,核电的经济和环境优势暂无法被替代,核电发展之路任重道远。
      
    延误一个多月后,2016年9月15日,英国政府正式批准中国与法国财团合资的欣克利角C机组核电项目动工。业界认为,投资欣克利角是中国核电走出国门的又一重大事件,而20年来英国首个核电项目动工,或许也是世界核电业开始回暖的标志。
      
    自2011年日本福岛核电站事故以来,民众对核电安全的担心让全球核电业经历了寒冬。此前,围绕欣克利角的种种争议中,对核电站废料处理的质疑之声一直不断。在世界各地关于是否应发展核电的争议中,持反对态度者也经常将废料处理作为关注热点。
      
    根据目前的安排,在60年的服务期间,法国电力公司将欣克利角核电站产生的核废料和乏燃料存放于核电站内,在发电期满后长达20年的退役期中,电站产生的中等放射性废物将转往英国国家地理处置设施(Geological Disposal Facility,GDF)中处置,而保存在电站中的乏燃料则继续冷却,直至达到进入GDF的标准,这个时期也许将长达50年。
      
    随着技术进步,新建核电站越来越安全,核电站产生的废料处理、处置技术也有了巨大突破。但直至今天,乏燃料循环利用,以及快堆技术等尚未实现大规模商业化,具有放射性的核废料除了深埋,也并无他法,民众意愿与核电发展之间的冲突远未消除。
      
    一方面,废料处置尚未有完美方案,让民众心存忌惮;另一方面,在风能、太阳能等可再生能源尚不能独立支撑世界能源安全之时,核电的经济、环境优势又无法被替代。
      
    因此,发展核电与否,对于每一个国家来说,都是个复杂的选择题。

存放还是利用
      
    目前,全球大部分的乏燃料都储存在核电站的堆贮水池当中。
      
    乏燃料是指核电站的反应堆使用过的核燃料。在反应堆内,核燃料经过中子轰击发生核反应,经过一定时间后从堆内卸出。此时的燃料仍然含有大量可裂变物质,但因铀含量降低,无法继续维持核反应。
      
    据统计,全球目前累计卸出乏燃料约35万吨,其中仅三分之一经后处理,剩下的都贮存在核电站中。到了2020年,全球的乏燃料将达到44.5万吨。
      
    这些乏燃料将如何处置?目前,国际上普遍有两种模式:一次通过式和闭式循环。
      
    闭式循环是指回收乏燃料中的铀、钚等易裂变材料,以及可利用的次锕系元素等物质,将易裂变材料再次加工,制造成核燃料组件,其他放射性核素作为废物最终处置。而一次通过式是指直接将乏燃料作为放射性废物进行直接最终处置。
      
    面对日益增长的能源需求和环境保护、气候变化方面的压力,核电已成为中国能源的重要发展方向。目前,中国正在运行和在建的堆型都是热堆,也已经累积了不少乏燃料,都暂时储存在核电站中。
      
    据环保部核与辐射安全中心总工程师柴国旱介绍,中国大亚湾核电站和田湾核电站乏燃料水池都已接近饱和,目前,有关部门正在制定《核燃料循环设施分类原则与基本安全要求》。
      
    因此,在核电发展计划中,中国表示将坚持核燃料闭式循环路线,将核电站发电产生的乏燃料进行加工后再次循环利用,这样不仅能提高资源利用效率,还可大大减少核电站的废物量。
      
    但是,核电闭式循环路线能否走通,还面临很多挑战。多位业内专家向财新记者表示,乏燃料的长期安全管理一直是制约中国核电产业发展的难题。
      
    此前,中法合作建设的800吨大型乏燃料后处理项目就在江苏连云港遭到当地居民的激烈抵制。
      
    此外,在核燃料循环后端,高放射性废物的处置方案和技术一直悬而未决,更是严重制约了核电的安全高效发展。
    核电厂小

后处理难题
      
    处理核废料如何“闭式循环” 院士称中国落后印度


    虽然包括法国、英国、日本、俄罗斯、印度、美国等在内的许多国家都建有后处理设施。但是目前,真正实现了乏燃料后处理商业化的,只有法国。
      
    近年来,中国在乏燃料后处理方面紧随法国,成功自主建设了小型中试后处理厂;并且,中核集团与法国阿海珐公司于2013年签署了中国大型商业后处理与再循环工厂项目合作意向书,计划2030年建成具备年800吨的乏燃料后处理能力的大厂。
      
    但是,这一项目的建设却并不顺利。据媒体报道,这个投资超千亿元的大厂或落户连云港的消息传出后,引发了当地群众的强烈反对,连云港市人民政府最终决定,暂停核循环项目前期选址工作。
      
    中国准备引进的乏燃料后处理PUREX技术,在法国已经应用了几十年,但风险同样存在。
      
    中国辐射防护研究院助理研究员马跃峰曾撰文“乏燃料后处理厂职业危害分析与评价”,其中介绍,乏燃料含有铀、钚及大量裂变产物,后处理厂放射性危害具有放射性强、半衰期长、毒性大、酸性强、腐蚀性大的特点。流程中可能会产生亚硝基化合物并在高温下引发“红油爆炸”,此外,处理过程中还需要用到甲醛、肼等高毒物品。
      
    然而,北京大学物理学院副教授雷奕安认为,中国如果要建后处理厂,会吸取前人的经验教训,从业人员纪律性更强,发生事故的可能性应该很小。PUREX工艺系统自动化水平高,可实现对工艺系统的远距离集中控制、操作和监视。厦门大学能源学院副院长郭奇勋也认为,与辐射层面的防护相比,化学层面的防护问题没有那么难。
      
    除了PUREX技术,中国在快堆技术上的探索更是走在了世界前列。
      
    2012年10月,国务院常务会议通过《核电中长期发展规划(2011-2020)》,提出中国坚持核燃料闭式循环的技术路线。
      
    据中国工程院院士、中国核工业集团公司快堆首席专家徐銤介绍,快堆闭式循环是中国未来的主要核循环路线,这一技术可以从热堆和快堆乏燃料中反复提取钚和铀,进入快堆再循环,充分利用铀资源,实现废物最小化。
      
    快堆全称是快中子增殖堆,其反应过程裂变产生的快中子不会被减速,可将铀238转化为钚,实现裂变材料增殖,可使铀资源的利用率提高50-60倍,还可以通过次锕系元素嬗变,使长期放射性毒性降低两个数量级以上。
      
    “这就意味着快堆可以将许多需要衰变三四万年的长寿命高放废物,嬗变为三四百年就衰变得差不多了的废物,这样大大降低了废物处置的难度和对人类后代的威胁。”徐銤表示。
      
    郭奇勋向财新记者介绍,中国第一座钠冷快堆——中国实验快堆,于2015年12月首次实现满功率稳定运行72小时,标志着这一重大科学实验设施设计性能得到验证,同时,中国自主化商业示范快堆正在筹建中。按照计划,中国的快堆有望在2030年后实现商业化。
      
    郭奇勋认为,经济性是快堆能否实现大规模商业化的决定因素之一,快堆目前成本还比较高,在经济性上没有竞争力,但从整个核燃料循环来看,快堆在提高铀资源利用率和减少核废物量方面具有的优势是无价的。
      
    听上去像是“完美方案”的快堆技术,其可行性和安全性受到的质疑声却更加强烈。
      
    雷奕安向财新记者提供了一份来自国际组织——裂变材料国际小组(International Panel on Fissile Materials)2010年关于快堆的报告,其中详细介绍了快堆面临的多项问题,包括造价昂贵、运行复杂、维修困难等。
      
    郭奇勋表示,快堆一般需要高浓铀或钚启动,并借助后处理设施循环利用,这需要原料储备和乏燃料后处理设施。商业化的后处理设施,为了提高规模经济效益,降低单位成本,往往需要上千亿人民币的资金投入和十几年的时间建设。
      
    在安全性方面,郭奇勋表示,中国所用的钠冷快堆中作为冷却剂的钠遇水会发生剧烈反应,业界俗称“钠火事故”,这是钠的化学禀性,无法完全避免,只能降低发生概率,这也给快堆的维修带来了麻烦。
      
    徐銤则表示,应对钠火事故的手段已相当成熟。曾参与美国能源部先进反应堆项目的美国密歇根大学核工业学院教授约翰•李(John C. Lee)也向财新记者表示,他曾参与美国对钠冷快堆的研发,目的就是乏燃料的再循环利用,而且钠冷快堆如果设计得当是安全的,值得进一步的研究。
      
    现有核电技术已解决核电的反应性本质安全问题,但放射性本质安全问题的解决方案还存在很大改进空间。郭奇勋说,虽然目前无法做到放射性本质安全,但核电的安全性总体来说还是很高的。中国实验快堆安全是有保障的,示范快堆的安全性应该更高。
      
    美国等国家的乏燃料后处理和快堆目前虽未在民用核电站应用,但乏燃料填埋处理的原则之一是“可回取”,并非永久性填埋;如果需要,将来还可以取出来再用,中国工程院院士、中国核工业集团公司科学技术委员会主任潘自强介绍。此外,一些国家对使用乏燃料心存顾虑,还有防止核扩散的原因。快堆的循环处理过程可以提取高能铀和钚作为核武器的原料。约翰•李也向财新记者证实了这一说法,他表示,任何乏燃料的后处理都会增加核武器扩散的潜力。
      
    目前,日本和美国在进行快堆的研究工作,俄罗斯和印度的快堆发展则比较快。但潘自强也表示,目前快堆的实践还比较少,不能说是非常成熟的堆型。并且快堆在成本上还可以接受,“现在是市场经济,核电的各项成本都会包含在电价中,太贵肯定发展不下去。”

扔不掉的核废料
      
    通过先进技术处理乏燃料,可以大大减少核废料的产量。然而,核电站并不能做到零废弃,无论怎样精密的技术,最终还是会有含放射性的核废料产出。
      
    国家核安全局原局长赵成昆曾撰文指出,中国对核电站放射性固体废物实行分类管理。根据放射性废物的特征,及其对人体健康和环境的潜在危害程度,将核电站的放射性废物分为高水平放射性废物、中水平放射性废物和低水平放射性废物。
      
    低、中水平放射性固体废物在符合国家规定的区域实行近地表或地下处置。高水平放射性固体废物实行集中的深地质处置。中国已在甘肃和广东建造了两个中低放射性固体废物处置场。
      
    “十三五”规划纲要明确要“建设5座中低放射性废物处置场和1个高放射性废物处理地下实验室”,核废料处理作为百大工程项目之一,已经提高到国家高度。
      
    环保部核与辐射安全中心乔亚华曾撰文指出,目前在中国,部分长寿命较高水平放射性废物的处置仍是难题,如高活度废放射源、反应堆运行及退役过程中产生的堆芯构件、废石墨等。
      
    “别看高放废物只占核废物的1%,其放射性甚至比其余99%的核废物还要高。”中国原子能科学院研究员罗上庚曾表示,高放废物还释放大量的热能,其所含的核素,有的半衰期很长、毒性很大。
      
    对于高放废物,必须采取500米-1000米的深地质处置,用多重屏障实现安全隔离万年以上。目前,瑞典和芬兰已找到了高放废物处置场址,预期在近十年内可建成高放废物处置库。美国、法国和中国等许多国家都处在选址阶段。
      
    芬兰政府2015年11月12日向波西瓦公司(Posiva)发放建设许可证,在奥尔基洛托建设乏燃料封装站和最终处置库。这是全球迄今为止发放的首份乏燃料最终处置库建设许可证。
      
    中国高放核废料处置场的最终建造位置尚未确定,目前还在进行地质勘测阶段,环保部核与辐射安全中心研究员吴浩告诉财新记者,之前盛传的“甘肃北山预选区”,严格说来也并不能被称为高放废物处置的“预选区”。“在这些地区做地质勘测实验并不是为了定厂址,只是做实验,看怎么样的地质条件满足高放废物处置的要求。”
      
    “中国的情况很复杂,需要在散热、地下水、气象、人口等方面综合考虑,不会这么草率就定下厂址的。”吴浩说,最终厂址的确定和建造都需要撰写安全分析报告和环境影响报告,通过国家核安全局甚至国务院的层层审批,经过国家的统一规划决定。
      
    “目前《原子能法》迟迟未能颁布,我们还搞不清建造高放废料处置场的牵头主管部门应该是哪一个。”吴浩说。

中国核电跃进中
      
    目前,中国在修建的核电站占世界总数的一半,亦有不少声音认为,中国在进行着一场核电“大跃进”。
      
    环境保护部副部长、国家核安全局局长李干杰曾公开介绍,现在中国建成和在建的核电机组一共56台,32台已投入商业运行,24台正在建设。核电“十三五”规划初步方案预计,2030年核电装机规模达1.2亿-1.5亿千瓦,发电量占比提升至8%-10%。
      
    “2014年,法国工业每1000千瓦时电的成本平均为74欧元,德国84欧元,英国125欧元,西班牙则高达118欧元。”法国核学会亚太区负责人秘书伯纳德•威戈洛克斯(Bernard Vigreux)给财新记者算了一笔账。他表示法国80%的电力来源于核电,4%来源于新能源,其电力结构在欧洲国家中颇占优势。
      
    当然,中国发展核电并不仅仅因为其价格低廉。2015年,火力发电量占总发电量的比例超过80%。除了造成环境污染,火力发电还向空气中排放了大量的二氧化碳。
      
    此前,中国已向国际承诺,到2030年,单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%,非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右。
      
    中国工程院曾于2015年发布报告,分析了不同发电能源在全生命周期的温室气体排放量,即包括采矿、电厂、加工和处理设施、运输系统等运行中的直接排放和间接排放。结果显示,煤电的全生命周期总温室气体排放为每千瓦时1072.4克二氧化碳,而核电排放仅为每千瓦时11.9克。
      
    与煤电相比,核电等可再生能源减少温室气体排放的潜力较大。该报告负责人潘自强认为,中国水电的发展潜力有限,风能和太阳能等可再生能源因自身的局限性又不能在短期内快速增加发电量,因此核电被寄以厚望。
      
    但原核工业部副部长李玉仑曾撰文称,核能生产链的前端铀矿开采过程中,粉尘污染、尾矿和废矿石需处置,放射性弱但数量庞大,而后端放射性废物具有潜在风险。因此核电仅是低碳能源,算不上清洁能源。
      
    “在中国这样的国家,安全、成熟且成本合算的核电也许是选择之一。”国际能源署署长法提赫•比罗尔(Fatih Birol)在接受财新记者专访时表示,只靠可再生能源并不能解决能源问题,需要其他形式的能源作为补充,有的国家选择核电,有的选择天然气,每个国家都应该找到适合自己的最优组合。(来源:财新网) (博讯 boxun.com)
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