退役核燃料是潘多拉魔盒还是所罗门宝藏？

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背景

随着全球能源需求的不断增长，核能作为一种清洁、高效的能源形式受到了越来越多国家的关注和采用。核能是我国能源结构中的重要组成部分，根据中国核能行业协会所发布的数据显示，如图1所示，截至2021年12月底，我国大陆地区运行核电机组共计53台（不含台湾地区），在建机组23台，分布在浙江、广东、广西、福建、江苏、山东、海南、辽宁等８个沿海地区，总装机容量达到54646.95MWe（额定装机容量）。目前我国的核能发展重新进入了快车道，核电发电量已经占到了全国发电量的5.02 %以上，预计到2030年我国核电发电量比重将提高到7%左右[1]。然而，核能的使用不可避免地会产生大量的放射性废料，其中退役核燃料是最主要的类型之一。据统计，我国核电站累计产生废弃核燃料近7000吨，2025年将达到14000余吨[2]，退役核燃料（也即是乏燃料）安全管理和循环利用已成为社会关注的焦点[3]。福岛核电站的重大事故更是让许多人望“核”生畏，一时之间洛阳“盐”贵。只有正确地认识核能，才能让人们正确地利用核能。这里，就让我为大家对退役燃料后处理进行讲解吧。

图1 中国核电站建设情况[4]

02/退役核燃料

首先，让我们回顾一下核能的基本原理。核能的利用是建立在核裂变技术基础之上的。核裂变是指一种将重核裂变为两个或多个轻核的过程，在核裂变过程中，会释放出大量的能量和中子。其中，释放的中子可以用于继续促进其他核燃料的裂变，从而形成一种“链式反应”的过程。而热量则被用来驱动发电蒸汽轮机实现发电的途径。

核反应堆中的核燃料经过一段时间的裂变反应后，燃料中的U235等元素被逐渐消耗，同时产生了大量的放射性核素。在核燃料棒中，燃料的消耗不仅使得其无法维持反应堆的正常运转，同时也会使核燃料本身变得高度放射性和危险。因此，为了保障核反应堆的安全运行，这些核燃料需要进行安全的处理和储存。这些指受过辐射照射、被使用过的核燃料也即是退役核燃料或者说是乏燃料。

核燃料使用的过程中，核燃料中的原料铀和钚在核裂变的作用下产生了多种裂变产物，包含了周期表中从锌到镧系元素的所有元素。许多裂变产物都不具有放射性，或者是寿命很短的放射性同位素，但是仍然由相当数量的产物是中期到长期的放射性同位素，如Sr-90（29.1年半衰期）、锝-99（6小时半衰期）和碘-129（1570万年半衰期）、铯-137（30.17年半衰期）、Cm-244（17.6年半衰期）。这些放射性同位素会不断衰变，释放出高能的粒子和射线，这些粒子和射线对生物组织有很强的穿透力和杀伤力，如果接触过量，会导致辐射病甚至死亡。因此，如果没有经过妥善处理，退役核燃料具有较强的放射性，会严重影响到环境安全与个人健康，无疑是潘多拉魔盒。因此，退役核燃料必须妥善处理，以防止对环境和人类造成危害。

那么，为什么又说退役核燃料是所罗门宝藏呢？这是因为虽然退役核燃料存在危害，但是也包含了大量的可再利用核能资源。在核反应堆中，只有一小部分的核燃料被消耗掉，大部分的核燃料仍然可以进行二次利用。在核燃料中，铀、钚等元素可以被再次利用，从而减少对天然铀等资源的需求，延长核燃料的使用寿命，减少核能发电的成本和环境污染。此外，退役核燃料还可以通过核废料处理技术进行分离和回收，得到高放射性废物、中放射性废物和低放射性废物等不同等级的废物，再根据其特性进行不同的处理和储存。其中，高放射性废物是最危险的核废料，需要采用高度安全的措施和技术进行处理和储存。而中放射性废物和低放射性废物的处理和储存相对来说较为简单，可以采用深地贮存等技术进行长期储存和监管。

03/核燃料循环的路径

如图2所示，核燃料循环通常涵盖了天然铀的勘探，开采冶炼、提纯浓缩、核燃料制造、服役、卸出与退役核燃料及放射性废弃物后处理，其中以反应堆为界分为前端和后端，这是核工业的重要组成部分。当前，对于核燃料的利用路线主要分为两类：一是“开式核燃料循环”路线，即指核电厂对退役核燃料组件不进行后处理而直接储存处置起来的核燃料使用方式，由于该路线流程简单，不存在核扩散的风险而被广泛采用，我国目前所采用的就是这种路线；二是“闭式核燃料循环式”，这是美国、法国、俄罗斯和日本等核电大国普遍采用的方式[5]，其具体内容是对在核燃料循环后段中，对退役核燃料进行后处理，通过化学方法将铀和钚从乏燃料中的裂变元素分离出来。

乏燃料是核反应堆中燃料棒使用一段时间后产生的废料，其中含有一定量的未利用的铀、钚等核燃料，以及一些产生自放射性核素。因此，乏燃料的后处理变得尤为重要。乏燃料后处理技术的发展一直是核能领域的重要研究领域之一。目前比较成熟的商业化的后处理方式是通过PUREX流程对乏燃料中的铀和钚与其他裂变元素进行分离。其具体原理是利用磷酸三丁酯 (TBP)对对铀、钚和其他裂变元素的萃取能力的差异进行分离，往往需要经过三次循环萃取能够得到纯度较高的铀、钚[6]。

图2 核燃料循环路线

03/退役核燃料后处理的目的

那么，退役核燃料燃料后处理的目的仅仅在于回收铀、钚吗？核燃料循环的主要目标是从废料中提取可再利用的核燃料和稳定的放射性核素，其价值主要有三个方面：资源经济性、军事战略性与环境友好性。

——资源经济性

核裂变是在1938年发现的，而第一座核电站在1942年正式启动。核电站利用核能发电的基本原理是依靠核燃料中的235U在中子轰击下而引发的链式核裂变反应（图3）。火电站的运转离不开电力煤的供应，而核电的运行是以浓缩UO2作为燃料而运作的。据世界核协会统计，以2022年我国核电装机容量为5465万千瓦进行铀资源计算，若以一座100万千瓦压水堆机组需求的天然铀为196.5吨/年进行估计，我国今年的天然铀资源需求量就已经达到10000吨以上。根据世界核协会，我国铀资源对外依存度常年维持在70%以上。国内大部分铀资源品位低且埋藏深，开采成本高，目前中国的铀矿资源大部分来源于进口，主要进口国有哈萨克斯坦、澳大利亚、加拿大和乌兹别克斯坦。我国先天的矿产资源天赋决定了我国必然要实现核资源的深度循环利用。核燃料循环处理可以使得核燃料的利用率提高和铀资源的深度利用。当核燃料以“开式核燃料循环”路线的方式进行利用时，铀资源利用率仅为0.6%左右;而当对退役核燃料进行后处理得到的U、Pu，再将其制备成核燃料，可以用在增殖快堆中多次循环，这可以使铀资源利用率提高约100倍[7]。目前，我国已经提出了明确的“闭式核燃料循环”路线，核燃料循环的产业化应用也在如火如荼地开展。

图3 以U为燃料的核裂变链式反应过程[8]

——军事战略性

从核反应堆的乏燃料中提取钚是经济上和技术上行之有效的手段，而钚在军事上和核能利用上都有极高的价值[9]。同位素钚-239是核武器中最重要的裂变成份。相较于235U，239Pu的临界质量只有其三分之一，这为核武器小型化提供了方便。小型核武器意味着更强的打击能力、更远的投射范围、更多的打击目标，这在军事战略上具有重要意义。早在美国1942年的曼哈顿计划中，生产了世界上第一枚钚弹“胖子”型原子弹。钚弹只需6.2公斤钚便可达到爆炸当量，相当于两万吨当量的TNT炸药的威力。因此，如图4所示，在军事上，核武器的小型化是可以极大地提升核战略威慑力，是实现具有自主可控的核国防系统的重要组成部分。

图4 2019年在庆祝新中国成立70周年阅兵式上我国东风41战略导弹首次亮相[10]

——环境友好性

后处理可以实现燃料中的核裂变产物中的中子毒物的分离和去除，实现核废物的最少化。核燃料循环前段和后段均容易产生放射性废水和固体废弃物，如处理不当极容易造成周围环境和水体污染。[11]退役核燃料通过现有较为成熟的PUREX流程可实现99.5%左右的铀和钚分离回收，且放射性废弃物的放射性降低1个数量级，这极大地降低了退役核燃料的处理管制风险。核燃料循环除了对需要对退役核燃料进行处理外，放射性废弃物后处理也是核燃料循环中的重中之重。

说到这个话题，就不得不提到日本的福岛核电站事故。自2011年福岛核电站发生七级核事故以来，福岛核电站内共储存了超过一百万立方含放射性的污染水[12]。对于福岛核废水处理方案有五种：地层注入、排入海洋、蒸汽释放、氢气释放和地下掩埋。然而，因为核废水后处理能力不足且成本较高，这使得东京电力公司及日本政府更愿意去隐瞒实际情况，选择了其中最便宜最方便的排入大海的方式。2013年，东京电力公司就因为捉襟见肘的核废水处理能力，而选择偷偷排放低放射性核废水，以储存高放射性核废水。又在10月，福岛核电站作业人员在核废水处理设施作业时，错将配管线拔出，造成了高浓度污染水的大量外泄。终于，2021年日本政府基本决定将福岛核电站的核废水排入大海。至此，核废水入海从东电的“失职”转变为“故意为之”[13]。由此，福岛核电站事故酿成的后果可能是史上最大的工业灾难，但这并不是核技术本身造成的，而是日本当局的不作为。

图5 福岛核电站核废水存储装置[14]

04/我国的退役核燃料循环的现状

中国在核燃料后处理领域的研究可以追溯到20世纪50年代，当时进行了后处理基础研究并完成了生产堆核燃料后处理任务。1983年，国务院进一步明确了我国对动力堆乏燃料进行后处理并实行核燃料闭式循环的技术路线，这为后来开展动力堆乏燃料后处理中试厂设计建造奠定了基础。[15]随着我国核电的进一步发展，21世纪初，我国启动了核燃料后处理专项科研，并建成了核处理放化实验平台，为后处理工程技术的开发提供了重要的研究实验平台。1990年，国务院批准在中核四〇四有限公司建设动力堆乏燃料后处理中间试验工厂。在20年的努力下，2010年12月，中试厂热调试取得了圆满成功，标志着中国掌握了动力堆乏燃料后处理的核心技术，实现了核燃料闭式循环的目标。以中试厂为基础，2017年，中国开始建设60吨生产规模的乏燃料后处理示范工程，该项目预计于2023年建成。这将成为中国在核燃料后处理领域的又一个里程碑，有助于进一步提升我国核电技术的研究和应用水平。

图6 核燃料后处理放化实验平台的示意图[16]

与此同时，在科学研究方面，我国已经形成了以中国科学院上海应用物理研究所、清华大学、中国科学技术大学、北京大学、上海交通大学为首的科研攻坚团队，取得了一系列自主创新性的乏燃料后处理成果，如，清华大学核研院开发的TRPO高放废液分离流程，中国科学院上海应用物理研究所提出钍基熔盐堆(TMSR)燃料处理流程，四川大学、中科院原子能院荚醚分离高放废液流程，中国科学院高能物理研究所和原子能院的氯化铝熔解-Al合金化和氟化物熔解-电解分离流程。我们中国的核能科研人员在这一领域继续发挥创新精神和探索精神，为实现乏燃料后处理技术的更加高效、可靠和可持续发展做出了更大的中国方案，贡献了中国智慧。

图7 TRPO从高放废液中分离锕系元素流程[17]

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结语

福岛核电站事故使得全世界核电站建设陷于阶段性停滞，2013年至今的核废水排放更是使得全世界人民蒙上了一层核污染的阴影。至今，在国内外反核话题屡见不鲜。乏燃料后处理技术的发展对于中国的核能事业具有重要意义。首先，后处理技术的发展可以有效地解决核废料的储存和处理问题，降低核废料对环境和人类健康的危害。其次，通过提取可再利用的核燃料，可以节约能源资源，降低能源成本，提高能源利用效率。最后，乏燃料后处理技术的发展还可以促进中国核能事业的可持续发展，为实现能源结构优化、国防安全、环境保护和经济发展做出贡献。

中国正在核能利用的康庄大道上策马奔驰，具有自主知识产权的“华龙一号”已经趋于成熟，走出海外。而相应的核燃料循环的处理能力也有了相当的进步，在西北的一处戈壁荒漠中，首个国家级核技术产业园在甘肃开工。中国未来会在核电领域走出中国之路，向世界人民展现中国人的智慧，提供中国人的方案。未来，随着核能事业的不断发展和技术的不断进步，乏燃料后处理技术还将面临新的挑战和机遇，科学创新永远在路上。