核燃料循环策略及其经济性分析
李智勇，曲兴超
（中国核电工程有限公司，北京 100840）
[摘要] 核电由于核的安全性一直受到质疑，而核燃料的管理是影响其公众可接受性的主要问题之一。因此，SNF的再处理和再循环是提高核能社会可接受性的关键之一。回顾SNF管理技术的现状、随时间的演变以及当前正在研究的先进技术，以获得核燃料循环策略的全球视野及其优缺点，以及它们在未来预期的演进。
[关键词] 核废物管理；后处理；再循环；乏燃料
核能一直是全球关注的焦点，由于乏燃料（SNF）的处理时间周期长并且涉及后代，因此，不管核能的前景如何，SNF的处置必须得到有效的解决。为此，了解乏燃料的处理技术以及它们的优缺点以及哪种方案更适合自身环境的使用也就变得非常的重要。因此，对核燃料循环的现有技术进行了总体概述，分析了使用不同技术可能带来的经济成本，最后还强调了立法的重要性。
通常使用的核燃料循环策略主要有两种：一次循环和二次循环。一次循环方案认为SNF是高放废物，因此，SNF将在处置库中存放数百年，直到其放射毒性达到天然水平。二次循环认为SNF是一种可循环利用的高放废物，SNF经过一系列的化学过程提取了其中的铀和钚，提取的铀和钚再作为新鲜的核燃料进入可使用的反应堆或作为原料直接出售。下述对核燃料的每种循环策略及经济性加以分析。
1.2.2 样品采集在2018年7月下雨后的一天到布设样品点地区采集样品，用具有橡皮头的玻璃棒将样品缸擦洗干净，将缸内的溶液和尘粒全部转移到500mL的干净容器内，带回实验室备测。
1 一次循环
直接处置方案主要包括临时储存和最终处置两个过程，中间阶段还涉及到封装和运输等。
现有一定量的含NO2和NO的硝酸工业尾气(不含其他气体),若用过量的NaOH吸收后,溶液中NaNO3和NaNO2的物质的量之比恰好与原尾气中NO和NO2的物质的量之比相等。若用NOx表示该尾气中氮的氧化物的平均组成,试求x的值。
不同类型的先进循环最终的目的都是通过进一步减少最终废物的体积和放射性，以及提高资源利用率，同时保持其经济性，从而实现核能的可持续性。它们的共同点基本都是基于嬗变缩短SNF中长寿命核素的半衰期。
2 二次循环
对于一次循环和二次循环的成本，许多研究者基于不同的假设估算发现二次循环的成本通常较高。然而这些差异的大小主要取决于所采用的方法与假设。
3 先进循环
首先，从反应堆中卸出的核燃料在冷却池内冷却至少5至10年，这一阶段对于每个核燃料循环战略都是必须的。之后，SNF可以转移到干燥的临时储存库中，该储存库既可以位于核电现场，也可以位于其他地方集中处理。最后，经过十至几十年的临时储存期，SNF必须转移到最终处置库[1]。
现阶段最受关注的先进核反应堆技术是第四代快速增殖反应堆（FBR）和加速器驱动次临界系统（ADS）。四代堆能使U、Pu和MA等完全反应，这使得它们能够从核燃料中释放更多的能量，并减少最终高放废物的体积及其放射性毒性。
此后，东芝宣布将出售核时代，并于2017年12月宣布韩国电力公司(Kepco)为优先竞标人。但在英国政府2018年6月宣布将采用“受监管的资产基础”(RAB)的项目融资模式后，东芝宣布取消韩电的优先谈判权，为其他竞标者留出机会。
在体系中，CO32-可与H+发生加质子反应，反应如式(4)所示。此外，CO32-以及HCO3-均可与Mg2+形成配合物，其反应式分别如式(5)和式(6)所示。
与直接处置方案相比，再循环的优势来自于减少了天然铀的需求量以及最终高放废物的体积、辐射毒性和衰变热，只需要对循环后的核燃料进行单独处理。因此，最终的存储库容量减少了，这也降低了地质处置成本。
4 经济性分析
ADS由连接到粒子加速器的次临界反应器组成，具有很大的灵活性，不仅可以燃烧Pu和MA，而且还可以燃烧FP[4]。
SNF在冷却池中冷却以后将通过PUREX等工艺实现U和Pu的分离，之后剩余的次锕系元素（MA）和裂变产物（FP）再通过玻璃固化等方式储存于地址库中。由于SNF由超过96%的U和Pu组成，最终剩余的废物体积减少了约80%，其辐射毒性降低了约90%，其衰变热也比一次性循环降低。因此，最终的废物处置成本大约是一次处置成本的25%[2,3]。
图1显示了不同国际研究机构的核燃料循环成本随时间的演变，费用已折算至2019年。从图1中可以看出，一次循环比再处理方案更经济。此外，两种成本的趋势都有递减的规律，这意味着由于技术的成熟，这些成本随时间的推移而降低。然而，降低的斜率在二次循环中稍微明显，这意味着，由于技术的发展，再循环策略可能会变得比一次循环更经济。
图1 核燃料循环成本的演变
图2 深地质处置成本随时间的变化
如图2所示，由于技术的成熟，再加工成本一直随时间的推移而降低。然而，当涉及到深地址处置（DGR）成本时，情况正好相反，主要是因为DGR还处于探索未经真正测试阶段。直接处置方案的后端成本主要是DGR成本，而二次循环的后端最重要的成本是再加工成本。因此，这就解释了为什么二次循环成本比一次循环成本下降得更快。
图3 再处理成本随时间的变化
图4 先进循环成本的演变
先进循环由于提高了可持续性，与目前的核燃料循环战略相比，具有许多优势。然而，由于这些新技术缺乏成熟度，先进循环的成本比一次循环策略高，如图3中所示，先进循环的斜率略有增加。但随着技术的发展，先进循环的成本最终可能比直接处置更经济。
5 结语
概述核燃料循环的常见策略及对应的经济性趋势，结果表明在现有的技术条件下一次循环的经济性优于二次循环，但是随着新技术的出现以及处理流程的完善，未来核燃料的再处理将更具优势。目前正在研究的先进技术具有解决核能关键问题——废物管理的潜力。先进循环进一步提高了核燃料的可持续性，与直接处置相比优势较多，但是由于目前新技术的匮乏，成本较高。
【参考文献】
[1]何敬柯．中国核电工业燃料循环及其优化研究[D]．沈阳：东北大学，2015．
[2]陆燕．国外乏燃料管理机构概况[J]．国外核新闻,2017(11):26-31．
[3]郝卿．核废料处理方法及管理策略研究[D]．北京：华北电力大学，2013．
[4]李文海．核电厂核燃料成本的主要影响因素及控制措施[J]．工程技术研究,2019,4(02):187-188．
[中图分类号] F406．5
[文献标识码] C
[文章编号] 2096-1995(2019)13-0042-02
作者简介： 李智勇（1991．02-），男，硕士研究生,主要从事核电厂工程造价及经济性分析。
标签：核废物管理论文; 后处理论文; 再循环论文; 乏燃料论文; 中国核电工程有限公司论文;