我國乏燃料后處理技術在早期軍工時期有較好的基礎和積累，但由于多種原因，后處理科研經歷了較長時間的停滯，目前技術已明顯落后于國際水平。

　　核電站卸出乏燃料的安全管理直接影響核電的可持續發展。目前國際上對乏燃料的管理方式有三種，第一種是以法國和日本為代表的閉式燃料循環，通過后處理回收乏燃料中有價值的鈾钚等可裂變核素進行循環利用，第二種是以瑞典和芬蘭為代表的“一次通過”，將乏燃料視為放射性廢物直接深地質處置，第三種是暫存，視未來技術發展情況再作決定，美國因為地質處置庫幾十年來難以推進，目前已將中短期乏燃料管理政策調整為中間暫存。

　　在人類和平利用核能之初，發展閉式燃料循環就幾乎同步被提上了議程，主要初衷有兩點，一是地球上的鈾資源有限，理想的多次閉式燃料循環可大大降低對鈾資源的依賴，甚至將核能變成近乎完美的“可再生能源”;二是降低高放射性廢物的體積和壽命，后處理技術發展至今仍無法實現這一目標，目前的乏燃料后處理技術只能降低高放廢物的體積，卻無法減少廢物的壽命，后者必須通過對乏燃料中次錒系元素(Minor Actinides)和長壽命裂變產物(Long Lived Fission Products)進一步分離和嬗變方可實現。

　　經過六十多年的發展，美國、法國、日本等核強國的快堆發展計劃先后受挫，快堆商業化進程不斷延后，分離嬗變技術進展緩慢，實現多次循環且大幅降低高放廢物危害的理想閉式燃料循環仍面臨諸多技術和經濟難題。

　　從國際經驗看，以法國和日本為代表走閉式燃料循環的國家，雖早在上世紀六十年代就實現乏燃料后處理商業化，但由于快堆的滯后，被迫將后處理產生的钚制成鈾钚氧化物燃料(MOX)在輕水堆中使用，這種循環只能進行一次，之后因钚的同位素變化，不再對乏MOX燃料進行二次后處理，即所謂“兩次通過循環”(Twice Through Cycle)。

　　與之相對，俄羅斯采取了優先發展快堆的策略，其后處理能力一直保持在較小規模，但經過六十多年的發展，俄羅斯尚未實現快堆規模化推廣，基于快堆的閉式燃料循環在短期內仍很難變成現實。

　　商業后處理廠的發展大致可分為兩個代際。

　　第一代商業后處理廠是對軍用后處理廠的改進，以處理核電站較高燃耗的乏燃料，主要包括建造于上世紀六十年代的美國的西谷廠(West valley)和法國的UP2-400，這些后處理廠基本上沿用了軍用后處理廠的設計原則。

　　第二代商業后處理廠主要針對更高燃耗的乏燃料后處理，其代表是法國的UP3和UP2-800、英國的THORP廠和日本的六個所廠，其中法國阿格的UP3和UP2-800兩個后處理廠運行較為成功，為法國本國、德國以及日本的核電客戶處理了大量乏燃料，英國THORP廠于2018年底提前關閉，只運行了設計壽期的一半，發生過一些運行事件，處理乏燃料量也遠低于設計產能，日本的六個所后處理廠則經歷了長達二十多年的建造拖期，至今仍未投入運行。

　　我國乏燃料后處理技術在早期軍工時期有較好的基礎和積累，但由于多種原因，后處理科研經歷了較長時間的停滯，目前技術已明顯落后于國際水平。在引進建設大型后處理廠的背景下，有必要系統研究和總結國際閉式燃料循環尤其是后處理產業發展的經驗和啟示，為我國后處理能力建設和閉式燃料循環發展提供有益借鑒。

　　美國因多重因素放棄商業乏燃料后處理

　　美國早在20世紀50年代就開發了乏燃料后處理的PUREX 流程，并建成全球首座使用PUREX流程的軍用乏燃料后處理廠，隨后，美國大幅推進核電站乏燃料商業后處理，曾先后建設了三座民用后處理廠：

　　紐約州西谷廠處理能力300噸/年，1966-1977運行，因安全法規提高要求所導致的改造太貴而關閉;

　　伊利諾伊州Morris后處理廠處理能力300噸/年，因采用的新工藝失敗于1974年停產;

　　南卡羅萊納州Barnwell廠處理能力1500噸/年，因后處理政策轉變未進行調試即被關閉。

　　1977年，受到印度核試驗的影響，卡特政府通過立法禁止了商業乏燃料后處理，其背后的原因除了防核擴散這一政治因素之外，經濟性也是主要原因之一，美國國會針對乏燃料后處理舉行的聽證會以及MIT等機構開展的專題研究均指出，相比于乏燃料一次通過，后處理成本過高，且其在降低放射性廢物量的效益上并不顯著。

　　自2002年，美國先后推出先進燃料循環倡議(AFCI)和全球核能伙伴倡議(GNEP)開展分離嬗變先進核燃料循環研究專項，提出開發防核擴散的核燃料循環技術。2009年，奧巴馬政府停止GNEP計劃。2012年，美國能源部新設立的藍絲帶委員會通過評估后，建議在等待高放廢物(乏燃料)最終處置之前建造集中中間貯存設施作為過渡方案。近期，美國計劃重新評估乏燃料和核廢料的管理方案。

　　總體而言，在政策方面，美國目前的核燃料循環政策搖擺不定，暫停尤卡山最終地質處置項目后，循環政策從“一次通過”調整為“觀望”，乏燃料管理策略改為集中儲存，作為最終方案的過渡，解決乏燃料大量累積帶來的安全管理問題的同時，為未來采取最優核燃料循環路線保留選項。

　　美國麻省理工學院(MIT)2011年的《核燃料循環的未來》研究報告指出，今后幾十年內輕水堆乏燃料一次通過仍是美國首選的經濟選項，而且很可能是本世紀大部分時間美國和其它國家核循環系統的顯著特征。以相對較小的成本實施乏燃料長期安全管理，保留未來乏燃料利用的各種選項。

　　隨著時間推移，一些重大不確定性(核電發展規模、新反應堆和新燃料循環技術的可用性和經濟性)終歸會明朗化，屆時輕水堆乏燃料采取直接地質處置還是進行后處理閉式循環，就能做出更加合理的決定。另外，對乏燃料進行較長時間的中間儲存，其放射性和衰變熱減少，從而可降低后處理難度，減少后處理成本。

　　在頂層規劃方面，縱觀本世紀初開始的多個先進燃料循環研發計劃，不管是ACFI還是GNEP，均體現出乏燃料后處理和先進快堆的系統銜接和統籌規劃，從先進后處理、高放廢液分離、超鈾元素再利用、先進快堆等多個環節均有機銜接，同步推進。

　　同時，長期保持較高的研發投入，有多個先進燃料循環的研發項目正在開展，然而政府更替帶來的政策變化，一定程度上影響了美國先進燃料循環技術的研發進程。

　　法國后處理商業化后被迫在壓水堆中消納回收钚

　　法國1958年在馬庫爾投運第一座處理石墨氣冷堆乏燃料的軍用后處理廠(UP1)，1966年在阿格建成第二座后處理廠(UP2)提取軍用钚，至1987年停止處理氣冷堆乏燃料。1970年法國原子能委員會(CEA)決定改造UP2，使其具備輕水堆乏燃料處理能力，1975年完成改造，處理能力400噸/年，并改名為UP2-400。1989年由德國、日本等國核電企業投資建成UP3后處理廠，主要處理這些國家產生的輕水堆乏燃料。1994又將UP2-400改造擴建成UP2-800，主要負責處理法國本國產生的輕水堆乏燃料，阿格廠目前的總處理能力為1700噸/年。

　　自2000年以后，阿格后處理廠的后處理業務呈現出萎縮態勢，開本率大幅下降，其主要原因是德國立法禁止本國乏燃料運往國外后處理，未處理的乏燃料全部進行直接處置，日本由于當時預計六個所后處理廠能夠按時投運，也不再委托法國后處理。下圖為阿格廠兩個后處理廠30年間的年處理量情況。近年來，其年處理量維持在1000噸左右，約為設計產能的60%左右。

　　在回收钚的循環利用方面，法國自1987年開始在壓水堆中使用MOX燃料，目前約累計使用5000組MOX燃料組件。MOX燃料在壓水堆中使用，钚只能循環1-2次，之后由于钚的同位素譜變化，無法多次循環。

　　此外，使用過的 MOX燃料中次錒系元素大幅增加，導致其毒性增加，提高了再處理的難度，因此，法國目前對使用過的MOX燃料不再進行二次后處理，暫存等待未來先進的核燃料循環系統再利用。

　　后處理回收钚在壓水堆中應用最大的問題是其經濟性差，由于MOX燃料組件的制造成本遠高于普通的UO2燃料，抵消了其節省的天然鈾和鈾濃縮價值，導致法國輕水堆使用MOX燃料成本高于UOX燃料成本。

　　總體而言，雖然法國成功實現了乏燃料的商業化后處理，但為了解決回收钚的消納問題，不得不在壓水堆核電站中應用MOX燃料，積累成熟經驗，但在當前天然鈾和轉化濃縮市場條件下，MOX燃料成本大幅高于普通UO2燃料成本，循環經濟性較差，雖然表面上提高了鈾資源利用率，但卻付出了較高的循環成本。

　　隨著國際后處理合同到期終止，法國后處理產業呈現出萎縮態勢，其本國核電公司EDF也嚴格限制乏燃料后處理量，并且與服務方歐安諾公司在后處理合同價格上存在較大分歧，導致法國乏燃料后處理能力過剩的同時，仍有累積乏燃料未經處理。

　　不排除法國未來重新評估并調整乏燃料管理政策的可能性，英國和德國早期走后處理路線，由于種種原因，目前均已從閉式燃料循環調整為一次通過。

　　日本大型后處理廠建設遭遇嚴重拖期

　　日本從核能利用之初就堅定不移地走閉式燃料循環路線，并且提出了“ 钚經濟”(Plutonium Economy)設想，通過實現核燃料的多次循環利用，將核能對鈾資源的依賴降到最低程度。

　　1966年日本引進法國和美國技術，建設了東海后處理中試廠，1977年建成投產，由日本原子能委員會(JAEA)管理運營，其設計處理能力為200噸/年，實際能力90噸/年，從1977年到2009年共處理了1140噸乏燃料，大部分為輕水堆乏燃料。2014 年，JAEA宣布將關閉東海后處理廠。同時，日本以商業合同的形式委托法國和英國處理了總計約7000噸乏燃料。

　　1993年，日本在北海道青森縣六個所村開始建造大型后處理廠(Rokashho Reprocessing Plant)，主要工藝引進法國技術，部分引進英國技術，參照法國UP3后處理廠建設，設計后處理能力800噸/年。

　　然而，六個所后處理廠在建設過程中遇到了技術與成本的雙重問題，其投運計劃不斷延后，于2006年3月進行了熱試，目前預計在2021年投運，前后歷時將近30年。

　　日本六個所后處理廠的建設歷程，反映出大型后處理廠在技術、設計和工程方面的難度和復雜性，大型后處理廠的建設客觀上面臨較大的工程難度和風險。

　　對我國閉式燃料循環發展的啟示

　　截至2018年底，我國在運核電機組44臺，累積產生乏燃料數量約4800tHM，其中大部分暫存在核電站內部的乏燃料水池中。

　　隨著我國核電規模的持續增長，乏燃料累積數量將大幅增加，按照2030年核電裝機1.3億千瓦測算，屆時乏燃料累積數量將接近3萬噸，但仍不及美國目前乏燃料累積數量的一半。

　　我國在上世紀80年代確定了閉式核燃料循環政策，“十三五”核工業發展規劃進一步明確了堅持乏燃料后處理的大政方針，已進入立法審批流程的《原子能法》將閉式燃料循環政策上升到法律層面。

　　在后處理能力建設方面，我國目前僅建成一座年處理能力60tHM的后處理中試廠，按照主管部門的相關規劃，我國將加快后處理科研攻關和能力建設，按照從易到難、由小到大的思路，堅持自主創新，在掌握后處理關鍵技術的基礎上盡快形成能力，通過引進法國技術，建設工業規模的大型后處理廠。

　　在加快推進后處理能力建設的同時，也必須充分認識到大型后處理廠建設面臨的難度和技術經濟風險，尤其須關注引進后處理大廠的建設成本和工程風險，以核電的健康可持續發展為前提，以實現乏燃料的安全管理為目標，合理科學規劃大型商業后處理廠的建設時機和實現路徑。在總結國際核燃料循環發展經驗的基礎上，結合我國核燃料循環發展完善面臨的主要問題，提出以下建議。

　　第一，在堅持核燃料閉式循環政策的同時，認真研究和確定我國商用后處理大廠的建設時機和條件，促進我國核燃料循環后段產業的健康發展。

　　我國應堅持核燃料閉式循環政策，著眼于建立基于快堆的閉式燃料循環體系。在統籌考慮核燃料循環產業發展時，要特別注意后處理能力建設與快堆發展的銜接問題，不能過晚，也不能過于超前，避免重走英、法等國的彎路。我國后處理廠的建設時機應當以快堆產業化推廣時間為衡量基準，不能以乏燃料累積量為衡量基準。乏燃料累積問題完全可以通過中間貯存實現安全管理。

　　第二，對乏燃料管理政策和策略進行深入的研究，統籌規劃乏燃料的長期貯存。

　　美國核燃料循環政策從“一次通過”轉向“觀望”是一個重大政策轉變，“觀望”政策的核心是實行乏燃料的長期集中貯存，這一轉變的目的是為未來核燃料循環政策保留較大的選擇空間。我國未來的核電裝機規模很有可能將超過美國成為全球第一，乏燃料累積數量將非常龐大，乏燃料的中間儲存是必然選項，應盡早進行統籌規劃。長期集中貯存既能為最終采取最優化的核燃料循環方案保留選項，也能為我國閉式燃料循環各相關環節的發展提供緩沖期。

　　第三，國家層面應做好統籌規劃，加大科研投入，集全行業力量攻關先進后處理和快堆領域的相關核心技術。

　　同時，應系統研究制訂我國核燃料循環長遠技術路線和發展規劃，同步推進先進后處理-高放廢液分離-超鈾元素快堆利用等環節的研究開發，最終建立“廢物最小化”和“資源最大化利用”的閉式燃料循環系統。

免責聲明：本網轉載自合作媒體、機構或其他網站的信息，登載此文出于傳遞更多信息之目的，并不意味著贊同其觀點或證實其內容的真實性。本網所有信息僅供參考，不做交易和服務的根據。本網內容如有侵權或其它問題請及時告之，本網將及時修改或刪除。凡以任何方式登錄本網站或直接、間接使用本網站資料者，視為自愿接受本網站聲明的約束。