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核设施退役产业全球经验探析
2018-7-27

核设施退役是我国核工业短板之一,其关键技术目前尚未掌握。纵观全球主要国家退役经验,或将带来些许启发。


未来几十年,全世界将有约2800座核设施需要退役,市场潜力巨大。


事实上,核设施退役在国际上从上世纪60年代便已提出,但较多退役项目的出现,则是80年代后的事情。


所谓的“核设施退役”,是为解除一座核设施的部分或全部监管控制所采取的行政和技术行动,退役的最终目标是无限制开放或利用场址。


据全球核能协会估算,到目前为止,全世界大约有100座铀矿冶设施、100多座商用堆、46座实验或原型堆,250多座研究堆和一批核燃料循环设施已停止运行,其中许多正在退役,或已被完全拆除。



三种核设施退役策略


根据国际原子能机构的规定,退役阶段定义了可选择的三种策略,即立即拆除、延缓拆除、封固埋葬。三种战略已被国际广泛采用。


“立即拆除”战略是在核设施永久关闭后,尽可能快的除去和处理核设施内的放射性物质,原场址可以有限制或无限制利用。“立即拆除”战略通常是在核设施关停之后尽快(一般在5年以内)开始去污、拆除和场址的清污,设施内放射性物质运到已经准备好的贮存和处置场地。


“延缓拆除”战略也称安全贮存或安全封存。这是核设施在保证安全条件下进行长期贮存,让放射性核素进行衰变,然后在进行拆除活动。延缓拆除在核设施关闭后先做部分和简易的去污、拆除工作,将主体设备(或关键设备)封存隔离几十年。对于大型反应堆退役,延缓拆除往往是优选的策略。


“封固埋葬”战略是把核设施整体或它的主要部分,处置在它的现在位置或核设施边界范围的地下,让其衰变到允许从审管控制释放的水平。实施埋葬前燃料元件需要从设施中取出并运到场外,或者临时贮存在一个独立的设施中,埋葬系统内的液体要排出进行处理,放射性物质封存在原来结构体中,与环境隔离起来并防止人员的闯入。


以上三种策略各有优缺点。核燃料循环的不同设施,应根据设施类型、特性和放射性水平,优选退役策略。如对于核燃料循环的前段设施和后处理厂,由于污染核素的半衰期长,延缓拆除几十年对降低工作人员受照剂量来说受益不大,因此建议采用直接拆除。而对于反应堆的退役,特别是核电站的退役,由于反应堆的堆芯中包容着90%以上的放射性物质,并且大部分为短寿命核素,堆芯延缓拆除有利于减少工作人员的受照剂量,因此,优选延缓拆除。


过去60多年来,世界核工业在退役不同类型核设施方面取得了不少经验,笔者梳理总结如下。



法国:

实施局部和全部拆除


法国是一个核技术非常发达的国家,在核设施退役方面进行了许多的研究和开发工作,积累了丰富的经验,其中一些需退役的核设施(包括反应堆和其它核燃料循环设施)已经分别进入了局部拆除和全部拆除状态。


法国军用核设施退役和核电站的退役分别由法国原子能委员会(CEA)和法国电力公司(EDF)来负责管理。


从退役的角度,法国将核燃料循环设施分为三类:1)反应堆:包括实验堆和动力堆; 2)工厂:包括铀的生产、浓缩、元件制造及后处理厂;3)热室:包括用于燃料循环各工序中的设备及包装放射性产品用的设备等。


对于上述三类设施所采用的退役方针是:针对燃料循环工厂、热室及游泳池式反应堆,一般采取在短期内拆除的策略;针对反应堆,一般采取的方法是在短期内完成部分拆除,仅留堆芯部分作延缓拆除,由于只将堆芯部分维持在安全状态下,维护费用较低。但应注意特殊情况特殊对待,如有些材料或设备,由于其厚度和特性使其不能继续维持几十年,应选择尽快拆除。


应指出的是,延缓拆除的决定并非不可改变。由于政策、法规及经济上的原因,都有可能对上述决定重新审议。已关闭的核燃料循环设施或实验室,涉及核燃料循环的主要方面,如铀矿加工、浓缩、冶金和后处理等,绝大部分已经拆除完毕,恢复成绿地或建筑物改为他用,个别如马库尔的UP1后处理厂、皮埃尔拉特的铀浓缩厂等正在拆除中。


UP1 后处理厂在1958年到1997年运行期间共处理了来自气冷堆(军用和民用)的18 600吨金属燃料。预计工厂的去、污拆除及废物处理将耗费40年的时间,花费56亿欧元,其中一半费用是用于场址内废物的处理。位于马库尔的Eurodif铀浓缩厂的退役,由阿海珐公司负责,从2012年开始进行,计划分为两个阶段,第一阶段的主要工作是在2012-2015年采用ClF3气体进行去污,去除掉内部残留的U,并将其以UF6形式进行萃取,对过程中所有产生的氯化物和氟化物气体要进行回收。第二阶段计划从2016到2025年对工厂进行拆除。


在已关闭退役的反应堆中,除临界装置外,只有游泳池式反应堆完成了全部拆除。对已关闭的核电站,在2001年1月前,退役政策是关闭10年后,再经过30-40年衰变,才进入最终拆除。后来法国修改了退役策略,法国电力公司在2001年决定,关闭的11个核电站要在25年内全部完成拆除工作。EDF估算其中9个核电站退役计划费用为30亿欧元,其中20%~25%用于规划和工程,40~45%用于拆除,20~25%用于废物管理。反应堆和建筑物拆除将会产生40万吨放射性废物,其中一半属于极低放废物。



英国:

主张“延缓拆除”战略


英国主要由核退役管理局(NDA)负责民用核设施退役治理的管理和运行工作,由环保部(EA/SEPA)负责对许可核设施的放射性废物处置进行授权,对持有核许可证场所的液体流出物和气载废物的排放进行监管,由健康与安全局(HSE)负责监管英国所有许可核设施的退役。


英国核电站有40座石墨减速气冷堆,其中26座是第一代Magnox堆,14座是先进气冷堆。在26座Magnox堆中,25座已经开始退役。石墨气冷堆比水冷堆体积大得多,退役废物量也大的多。此外,英国需要退役的反应堆还包括2座位于敦雷(Dounreay)的快堆和l座位于温弗里斯(Winfrith)的92 MWe蒸汽发生重水堆(SGHWR)。


核设施的退役将产生大量的放射性废物,由于英国缺乏废物处置厂,因此核电站退役采用延缓拆除策略。早先,英国对Magnox堆要求延缓135年后再做最终拆除。后来,英国核燃料公司向国家审管部门提交了一份修改退役策略的报告,建议缩短Magnox堆的封存时间,改为封存100年之后最终进行拆除。现在英国核退役管理局希望还要缩短Magnox堆的封存时间。


英国最早关闭退役的是伯克利核电站(2x138 MWe)。由于经济原因在1989年关闭,运行27年,1992年完成卸料,随后对冷却池进行排水、冲洗和填充。汽机厂房已拆除,反应堆厂房处于为安全封存延长期的维护和保养做最后准备的阶段,最终它们也将被拆除,留下的场址可作为景区向公众开放。英国其它反应堆厂房也遵循以上同样的模式。


2011年5月,英国首次完成一台核电机组的退役工作,这台退役机组是总装机容量为32 MWe的温茨凯尔先进气冷堆(WAGR)。该机组1962年临界,1963年并网发电,是英国第二代核电机组的先驱。1981年3月关闭,其退役被选定作为英国核电反应堆退役的国家示范项目。该机组的退役工作总计历时20年之久。



德国:

立即拆除为首选方案


德国核设施退役以立即拆除为首选方案。德国核电站退役有两种策略:首先是立即拆除,核设施关闭后在尽可能早时间内拆除;其次是延缓拆除,安全封闭30年之后拆除。除了前东德的Greifswald核电站采用延缓拆除外,主要采用的是立即拆除,目前有些已退役的场址已经向公众完全开放。由于早期德国的放射性废物只允许深地质处置,封固埋葬将设施变为近地表处置场,这种方案不符合德国的处置政策,所以封固埋葬退役策略不考虑。


目前,德国有34个研究堆永久关闭,其中22个已经完全拆除,10个正在拆除或准备拆除,只有2个在安全封存; 14座核电反应堆和原型核电堆正在拆除,计划都要达到无限制开放。KKN和HDR 2个动力堆已完全拆除并恢复到绿地,从核审管辖完全解控。2个动力堆(KWL Lingen,THTR-300 HammUntrop)在执行安全封存。


此外,11个核燃料循环设施永久关闭,其中5个已经完全拆除,6个正在进行拆除,其中包括:哈瑙(Hanau)的4个核燃料元件制造厂,已接近完全拆除,场址净化正在进行。德国卡尔斯鲁厄后处理厂(WAK)热工艺室已经净化,厂房正在作净化,暂存高放废液的贮罐和VEK玻璃固化设施正在进行拆除。



俄罗斯:

奉行“计划生育”政策


俄罗斯的反应堆退役政策是:退役一套机组, 建一套新机组,即所谓的“计划生育”退役政策。


一座堆当经济或技术条件使安全运行不再可能时就应当退役,在一套机组退役后, 在同一场地建造另一座新机组。这种方法是对现有设施和人员的最佳利用,并可以避免开辟新场地的问题。同样, 这种办法还节省了把退役核电机组的场址还原为绿地的巨额费用, 更何况俄罗斯缺少地区放射性废物贮存库。


此类退役的四个阶段包括:(1)停堆与准备: 实现核安全状态, 设备的标准去污;(2)准备长期监测贮存:高放设备(如燃料组件)的隔离, 同时拆除低放和无污染设备、建筑等, 除去放射性废物并做好长期贮存的准备;(3)隔离设备的长期监测贮存。在此条件下进行的感生放射性活度同位素分析表明,经过20-30 年之后只剩下长寿命核素, 在此期间放射性总活度减少60-100%。(4)机组最终拆除并准备再建一套新机组。这四个阶段可能需要30-40年。


当前,俄罗斯有六个民用反应堆正在退役:三个早期的石墨水冷堆(LWGRs),Melekess VK-50原型沸水堆,新沃罗涅日核电站内的两个较大的原型VVER-440机组。大部分都是在1981-1990年关闭,燃料已被移出,正等待拆除。


2014年9月初,俄罗斯季米特洛夫格勒的反应堆研究所完成了研究堆RBT-10/1的退役。RBT-10/1从1983年开始运行,用于研究经过辐照后的材料性质以及生产放射性核素源或特定性能要求的材料,1994年开始被闲置并于2005年宣布关闭。退役工作包括清除乏燃料以及拆卸堆芯、现场转换设备和该场址中可用于另一座研究堆RBT-10/2的实验装置。



美国:

延缓拆除和立即拆除策略结合使用


美国早期关闭的反应堆采用延缓拆除策略者居多,而后期关闭的反应堆采用立即拆除策略者居多。因为核电站延缓更长时间拆除,并不能带来更多好处,美国核管会要求所有核电站停止服役关闭后,封存时间不超过60年。


现在美国有32个动力堆、16座实验/研究堆已经关闭,正在执行退役计划。以33座反应堆的退役现状为例,其中有15座采用立即拆除策略,并有12座已经完成拆除,其它处于正在拆除阶段;12座反应堆采取延缓拆除策略;三里岛-2 为卸出乏燃料后监测贮存;仅有个别进行封固埋葬的是小的实验工厂:波多黎各的Bonus沸水堆、俄亥俄州的Piqua有机慢化反应堆、Nebraska的Hallam石墨慢化钠冷反应堆,没有由NRC审批的工厂采用封固埋葬策略。还有两个是在2013年刚刚关闭,退役方案待定。



日本:

践行先封存(5-10年)后拆除的策略


到2015年日本有13个机组运行超过了设计寿命(30年),日本确定最终关闭后封存5-10年之后进行拆除的策略。


其原因是:场址可用来再建核电站,日本缺乏新建核电站场址;经5-10年安全封存后,退役人员外照剂量会降到运行阶段操作人员和维修人员所受剂量水平。


核电站运行人员可以参加退役。关闭的核电站多年不进行退役,社会公众不宜接收。


日本核动力示范堆(JPDR),沸水堆,电功率12.5 MW,1963年10月发电。1976年3月关闭,堆内放射性存量130 TBq。1986-1996年进行退役,1986年12月开始拆卸反应堆,1996年3月完成退役,场址已转变为绿地。退役产生的总废物量为24 440 t,其中放射性废物3770 t,占15.4%;非放废物为20700 t,占84.6%。


日本东海-1核电站是日本第一座商业核电站,石墨气冷堆,165MW,为Magnox型石墨气冷堆。1960年建造,1966-1998年期间运行。1998年5月到2001年3月卸出乏燃料,2001年12月开始退役。退役的目标是拆除所有设施,场址上能够再建核电站。退役工程分为三个阶段:


第一阶段(2001-2005):准备工作和拆除一些常规设备。


第二阶段(2006-2011):拆除蒸汽发生器和堆芯外一回路管路。


第三阶段(2012-2018):拆除反应堆和所有构筑物,完成退役。


预计退役总费用为930亿日圆(10.4亿美元),其中350亿日圆用于拆除核设施,580亿日圆用于废物处理。

  
 
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