Market Prospect and Development Path for the Industry of Spent Fuel Recycle Management

核电站所用的燃料，如图1所示，从矿产开发到最终的地质填埋，通常会经历一个完整的燃料循环。其中随着核电的运行，燃料中裂变核素逐步消耗，不足以维持裂变反应，从反应堆取出的燃料称为乏燃料，具有较强的放射性，半衰期可达数万年，目前世界上运营核电的国家主要有两种处置方式：

Figure 1.  The cycle of nuclear fuel

一是通过简单的剪切和封装后运往合适的地点直接深埋；二是建立后处理厂，分离乏燃料中Pu、U等有用的元素进行再利用，降低其活性及放射性，将高放射性废物填埋^[1]。我国选择第二条处理技术路线已成定局。目前后处理厂这个环节具有较高的技术难度，处理技术主要有干法和湿法两种，其中以磷酸三丁酯(TBP)为萃取剂的湿法处理PUREX(萃取回收Pu和U的英文缩写，如图2所示)是当今最为成熟的主流技术^[1]，法国、日本等主要核电国家均采用此法，也是目前唯一实现商业运行的技术路线^[2,3]。其工艺流程主要有以下几个步骤：乏燃料的剪切、剪切片的硝酸溶解、溶剂萃取分离裂变产物、溶剂萃取分离、提纯Pu和U、脱硝，最终送往燃料制造厂制造新燃料，形成闭式循环。萃取后的高放废物进行贮存和玻璃固化，被分离的核裂变产物作为高放废液来进行处理^[1]。

Figure 2.  The process flow of PUREX

除去采用直接填埋乏燃料的国家，世界上拥有后处理技术的国家主要有法国、英国、日本、俄罗斯、印度等。

法国是该领域产业链最为完备，技术经验积累最为丰富的国家，拥有三个后处理车间，UP1于1965年运行，1998年退役；UP2于1966年运行，后扩建并于1994年运；UP3于1989年运行。其中阿格厂采用成熟的PUREX技术，每年处理能力超过1 000 t，同时可以生产超过1 000个玻璃固化容器，接收超过200个运输容器，为周边多个国家提供服务，也是此次中法合作的主要参考项目，此外，法国还建立了相应MOX燃料制造设施。从运行监管体制来看，法国由AREVA NC公司负责后处理和再循环，圣戈班新技术公司(SGN)负责设计，法国核安全局(ASN)整体负责核安全管理和监督^[4]。

英国于1952年开始进行商业规模的后处理，共有三个后处理厂。B204，20世纪60年代末进行改造，1973年由于事故停运并关闭；B205厂是为了对建在英国的11座Magnox核电站以及分别建在日本和意大利的另外两座Magnox核电站产生的乏燃料进行后处理；Thorp厂于1994年开始运行。从监管运行体制来看，由英国核服务公司(INS)管理MO燃料制造，核安全管理局(NSD)负责核安全监管，英国核燃料股份公司(BNFL)负责核燃料的制造和运输及核设施的退役^[5]。

日本引进法国的技术，以阿格厂二号厂房为模板，兴建了6个所后处理厂，年处理能力为800 t。日本建设和运行由核燃料有限公司(JNFL)负责，国家采用从各大电力公司抽取准备金建立基金的模式，按照投资比例分配各公司后处理份额。

按照国际通行做法，乏燃料经过在堆贮存、离堆贮存后送至后处理厂。目前我国早期建设的大亚湾核电站已经实现乏燃料离堆贮存，秦山核电、田湾核电以及岭澳核电在堆贮存的乏燃料水池已经接近满容，与此同时，从2016年起，大亚湾核电需要离堆外运的乏燃料数将成倍增加，使我国一些在运机组存在乏燃料无法外运的风险^[6,7,8]。如图3所示，从2015—2020年，乏燃料的产生量和累计量呈现快速上涨的趋势，预计到2030年，乏燃料离堆累积量将超过2万tHM，因此，大力发展乏燃料后处理产业，建设后处理大厂，另外积极建设中间存储能力，解决乏燃料离堆问题，已经迫在眉睫，需与时间赛跑。

Figure 3.  The growth of spent fuel

我国于2010年建成第一座乏燃料后处理中间试验厂—中核四零四厂，该厂拥有一座容量为500 t的乏燃料贮存水池，正在建设一座800 t的乏燃料贮存水池，拥有年处理50 t乏燃料的能力，尚无法满足日益增长的处理需求^[9,10]。2013年在中法元首的见证和推动下，中法合作核循环项目开始开展大量前期工作，2015年在甘肃建设国家级核燃料循环产业园，引进消化吸收法国800 t后处理大厂技术，项目合同于2017年生效，预计2020年开工，总投资超过1 000亿人民币^[1]。我国同步开展200 t、800 t后处理厂的自主开发建设工作。资金保证方面，2010年我国建立了核电站乏燃料处理处置基金制度，2014年国家原子能机构印发了《核电站乏燃料处理处置基金项目管理办法》，对运行5年以上核电的上网电价征收0.026元后处理处置基金，预计到2020年，基金总额将达到数百亿元，这为产业健康发展打下了基础^[2]。

自福岛核事故之后，政府和公众对核电安全发展的认识空前提升，核废料的妥善和安全处置的重要性亦被反复强调，目前核电后处理已经明确写入“十三五”规划纲要，上升至国家战略地位。《核安全法》草案也再次强调核废料处理问题，同时相关产业政策的落地，也将助力产业链的崛起。2016年7月，国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》国发〔2016〕43号提出要“稳步发展核能与核安全技术及其应用”，重点包括“后处理技术研发及应用”，并明确指出要“开展先进核燃料、乏燃料后处理、放射性废物处理”等研究。监管方面，目前我国核设施主要遵循《民用核安全设备监督管理条例》，以及同步施行的HAF601-HAF604四个部门规章，2014年起，核安全局已经启动核燃料循环设施重要安全设备管理的策略研究，根据《核燃料后处理厂建(构)筑物、系统和部件的分级》(EJ/T 939-95)对设备进行分级管控。因此，各个地方主管部门，相关企业应积极服务国家战略，满足监管要求，合理运用产业扶持政策，抓住快速发展的黄金时期。

燃料循环相关设施的建设，本是顺应行业发展，利国利民的项目，其安全性毋庸置疑，以法国阿格厂为例，目前运行45年，已累计处理约3万t来自各国的乏燃料，对周边人群带来的辐射剂量为0.03 mSv/年^[2]，仅相当于自然界中辐射量的百分之一。从经济方面来讲，项目投资量大，可以带动周边配套产业的快速转型升级，然而今年来反核的声音却不绝于耳，甚至出现了江苏连云港的示威集会事件，导致核循环项目暂停。因此核电行业从业人员更应重视公众沟通，用先进的知识和信息的透明，让公众理解、让公众信任，让公众支持。

我国从事乏燃料领域的科研、设计单位较少，后处理经验几乎为零，此次引进消化国外先进技术任务主要落在以四零四厂、瑞能科技、原子能院为代表的中核集团，示范项目则以法国阿海珐公司为主导。设备方面，部分产品已经基本实现国产化，进入核电市场推广阶段，如中子吸收材料、常规机械电气设备。部分产品需在现有核电基础上进行适应性开发或改进生产，如远距离操作阀门、机械手、热室等。但PUREX技术的工艺流程主设备技术难度较高，我国基础相对薄弱，距离国产化仍具有较长的路线要走，如剪切机、溶液反应器、离心澄清器和脉冲过滤器、萃取分离器、玻璃固化装置等^[3]。企业应结合自身的经验积累、人才储备情况，提前了解市场，进行研发攻关，在设备国产化的进程占领市场，进入附加值较高的领域，完成结构调整。

目前我国核电大多集中在沿海地区，乏燃料后处理体系位于我国的西北地区，随着在运电站的数量累计，乏燃料离堆储运是一个必然的发展方向，尽早建设一个涉及水路、公路、港口的运储体系具有重要的意义。根据法国阿海珐公司的建设经验，大型乏燃料转运枢纽的建设涉及面广，周期接近十年，涉及基础设施建设、特种车辆、指挥应急等多个层面，对于各个领域的企业来说，面临挑战的同时也获得了新的发展机遇。在乏燃料运输和外储过程中，除去中间贮存设施，储运罐成为必不可少的设备，也是相关企业业务拓展的重点领域之一^[11]。目前国际上主要产品来自美国的NAC-STC公司，日本的日立公司以及西班牙的ENSA公司^[2]。由于此类产品市场应用迫切，附加值很高，我国已有公司开始在此领域布局，通过和研究院所或国外成熟供应商合作的模式，购买技术，提高研发起点，以加快产业化的速度。西安核设备有限公司承担了我国乏燃料运储容器的样机研制工作，上海阿波罗机械与阿海珐TN公司联合生产干式储存金属内胆样机，国产化步伐逐步加快，产业重点布局恰当其时。