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四代核电：高温气冷堆乏燃料后处理的思考

核电生活百科


高温气冷堆具有固有安全性，被认为是很有前途的第四代堆型 。但是高温气冷堆的产业化发展，将会产生大量的乏燃料，然而目前我国对高温气冷堆乏燃料后处理还没有统一的规划 。
文 | 石磊 李金英
作者供职于中国核工业集团有限公司
核能作为一种安全、清洁、经济的新能源，已经得到了全世界的广泛认可，日渐成为我国能源发展的一个重要方面 。我国核电的发展用了近四十年的时间走过了“三轮引进”之路，自主研发核电技术逐步成长起来 。
其中高温气冷堆作为第四代先进反应堆型，以全陶瓷型包覆颗粒为燃料元件，具有固有安全性、用途广泛等特点，是我国完全自主产权的核电技术 。我国“型谱化”的核电发展路线下，高温气冷堆产业化将具有独特的优势，未来将成为我国核电发展一个重要方向 。
我国已建成10MW高温气冷实验堆，正在建设200MW高温气冷示范堆，原本计划2017年年底发电 。但由于设备制造、工程拖期等原因，示范堆项目预计2020年年底发电运营 。
此外，我国正在开展600MW商用高温气冷堆工程前期准备工作 。目前，600MW商用高温气冷堆总体优化设计已经完成 。不针对具体厂址的可行性研究报告工作也接近尾声 。

后续600MW商用高温气冷堆厂址前期工作准备已经如火如荼开展，首选厂址确定在山东，并且备选了厂址在浙江，保证600MW商用高温气冷堆项目落地 。“十四五”期间，保守估计至少有3台600MW的高温气冷堆机组开工建设 。
高温气冷堆产业化发展将会产生大量的乏燃料元件，这是不可回避的一个重要问题 。所谓的“乏燃料”是核电站/反应堆（含其他动力堆）燃料元件经过一个换料周期使用后，燃耗达到一定程度卸下来的使用过的燃料元件 。乏燃料具有强放射性和毒性，含大量高放射性物质 。这些乏燃料元件对安全、生态环境存在潜在的威胁 。
未来我国在发展高温气冷堆的同时，需结合国内、外高温气冷堆乏燃料处理和处置技术发展现状，在综合考虑技术的可行性、经济性、安全性和环境友好性等各个方面因素的基础上，对高温气冷堆乏燃料后处理的战略、技术处理方案进行阶段性规划 。
高温气冷堆由于能源密度低和固有安全性的原因，同等装机规模高温气冷堆乏燃料产生量相当于等装机规模压水堆乏燃料10倍以上 。以10MW正在运行实验堆进行统计，年产生乏燃料1.898吨 。“十四五”期间，如开工3台600MW的高温气冷堆机组，运营后每年产生626吨乏燃料，相当于210,000MW压水堆（也即21个百万千瓦压水堆机组）乏燃料年产生量 。
高温气冷堆乏燃料后处理策略选择的主流方向对照传统乏燃料处理策略，高温气冷堆乏燃料后处理战略分三种：一次通过式、暂时贮存和再循环战略，结合我国乏燃料后处理战略，“再循环”战略是高温气冷堆乏燃料处理的主流方向 。
所谓的“一次通过式”，即对乏燃料元件不处理，直接进行深层地质处置 。
暂时贮存方式，即将反应堆卸出的乏燃料先暂存反应堆建筑物最底层的贮存库内，存放一定时间后，外运到容量较大的离堆贮存设施中继续暂存，等待若干年后，再做是否进行后处理的决定 。
而再循环乏燃料后处理方式，即经过乏燃料后处理将U、Pu等提取再利用，也称“闭式”核燃料循环 。国外，如法国、日本、印度已经攻克再循环乏燃料后处理方式技术 。而我国再循环乏燃料后处理方式技术尚处于起步阶段，甚至落后印度20年 。

一次通过式高温气冷堆乏燃料处理战略的技术环节少，即卸出来之后不经后处理环节直接密封放到深地层的地质处置库中进行埋藏，长期储存 。深地层埋藏就是将乏燃料元件放置在约1000m深的陆地岩层中，适用的地质组成有盐矿、花岗岩、泥质岩和玄武岩等 。处置库的建造方法有溶解法、深层钻孔、利用废弃矿井等 。
高温气冷堆乏燃料暂存战略分为堆贮存和离堆贮存两个过程 。由于反应堆卸出的乏燃料具有很高的释热量和放射性，必须贮存一段时间才能运输 。按照相关规定，乏燃料至少要在电站储存池储存五年后才能往外运输到容量较大的离堆暂存设施中 。清华大学建造的10MW的高温气冷堆（HTR-10）按贮存9万个乏燃料元件来设计 。乏燃料元件卸在乏燃料罐内，这些罐暂存在反应堆建筑物最底层的贮存库内 。
高温气冷堆乏燃料“再循环”战略是将高温气冷堆乏燃料经过预处理，分离出非石墨等中低放射性物质，其二氧化铀核芯进入乏燃料后处理主工艺进行处理 。高温气冷堆乏燃料元件分两层 。外层是不含燃料的石墨球壳；而内区是以石墨为基体的燃料区，在该燃料区中均匀弥散着包覆颗粒 。每个包覆燃料颗粒采用五层构造，包覆颗粒中心是二氧化铀核芯，外面包覆着3层热解碳层和1层碳化硅层 。

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