放射性废物和乏核燃料成为重大问题之一,俄罗斯开辟乏核燃料后处理市场

  一人独醉        2021-05-13 09:56:35

放射性废物和乏核燃料的处理和储存无疑是俄罗斯核工业面临的重大问题之一。整个行业,特别是俄罗斯原子能公司,长期以来一直在讨论所谓“封闭燃料循环”。从本质上讲,这个术语描述了一个系统。在这个系统中,发电后产生的乏核燃料首先进一步进行铀和钚的提取,而后被作为新的燃料重新引入系统。可用元素的提取可以通过几种不同的方式完成,如传统的后处理法,或将某些材料引入快中子反应堆。虽然俄罗斯原子能公司使用前者作为主要技术,但后者也在研究。


例如,在VVER-1000反应堆中,新的TVS-2M燃料设计,取代了旧的UTVS燃料组件。2018年初,伊朗已经与JSC TVEL(俄罗斯原子能公司的子公司)达成协议,从2020年起向他们的Bushehr-1核电站提供这种新型燃料。印度库丹库拉姆核电站的首批两个VVER机组也准备从2021年开始使用该类核燃料。


传统的后处理包括将乏核燃料溶解在酸液中,并通过化学方法将铀和钚从其他高级放射性废物中分离出来。从理论上讲,这一过程中产生的铀和钚可用于生产新的核燃料。作为后处理过程的副产品,高浓度放射性废物在历史上导致了一系列问题。盛放酸液的化学槽被污染,反而使放射性废物的总量增加。


在俄罗斯,民用核电站乏核燃料的后处理是在乌拉尔南部的马亚克化工联合企业的RT-1设施进行的。该厂位于车里雅宾斯克,附近居住着约100万人。马雅克化工联合企业最初是为苏联核武器生产钚而建造的。马雅克于1948年开始生产武器级钚,助力苏联第一颗核弹的生产,并在1949年进行了试验。


放射性废物和乏核燃料成为重大问题之一,俄罗斯开辟乏核燃料后处理市场


马雅克也是1957年鲜为人知的“Kyshtym”核事故的发生地。当时,储存数万吨融解乏核燃料罐子的冷却系统发生了爆炸,伴随产生的放射性云层污染了乌拉尔东部的广大地区。Kyshtym核事故的规模仅次于切尔诺贝利和福岛,在国际地震协会的七级评分中被评为6级。自那次事故以来,还发生了几起不太严重的事故。


马雅克的RT-1后处理设施于1977年开始运行,是目前唯一的民用核燃料后处理设施。该设施只能处理来自VVER-440反应堆和比里比诺核电站反应堆的乏核燃料,其年处理量为400吨。由于俄罗斯唯一的后处理设施仍然无法处理来自RBMK型反应堆的乏核燃料,并且在2016年才开始处理VVER-1000型反应堆的废物,因此俄罗斯核电站的大部分(80%至90%)乏核燃料被临时储存在核电站周边。这些乏核燃料有的储存在乏燃料池中,有的储存在中央储存设施中,有的储存在西伯利亚中部热列兹诺戈尔斯克矿厂和化工联合企业的VVER-1000燃料中央储存设施里。


从VVER-440中产生的乏燃料经再加工用于RBMK反应堆,但来自RBMK的核燃料无法后处理。这是因为直到最近,对RBMK乏核燃料的后处理一直被认为是不经济的,因为其质量和浓缩度都很低。然而,在过去的几年里,俄罗斯已经取得了技术上的进步,使其有利可图。目前正在测试的新方法如果成功,将在热列兹诺戈尔斯克投入使用,那里存放着来自RMBK反应堆的乏核燃料。


在20世纪70年代,人们认为后处理的钚将被用于快速增殖反应堆,这一技术在当时看似遥遥无期。一些国家拥有大量的钚,他们希望随着核技术的发展,重新将这些钚加以利用。在一些地方,经过特别改造的压水式反应堆可以使用钚燃料运行。例如位于贝洛亚尔斯克的BN-600反应堆,该反应堆最初是作为使用钚燃料的快速增殖反应堆。


除了本国乏核燃料,俄罗斯还在帮助其他国家处理的乏核燃料。原因是多方面的:其一,俄罗斯可以通过处理乏核燃料盈利。只有处理过的乏核燃料,才能满足在来源国存储的条件。特别是对于那些境内拥有苏联时代的核反应堆的国家来说,俄罗斯原子能公司是一个很好的合作伙伴,也是市场上唯一能够随时处理来自老式苏联反应堆乏核燃料的公司。


其二,从老式苏联反应堆乏核燃料中可以提取燃料。例如,乌克兰与俄罗斯签订了一份合同,允许乌克兰将其乏核燃料交付给俄罗斯原子能公司进行后处理。乌克兰有五个苏联设计的核电站,其中四个仍在运行,总共有15个运行中的反应堆。每年,乌克兰在后处理协议方面的费用约为2亿美元。只要该协议还在履行,乌克兰就不必为储存自己生产的乏核燃料而操心。但合同还约定,在规定的时间内,俄罗斯将把后处理产生的玻璃化放射性废物运回乌克兰,既定时间最初是2018年。归根结底,乌克兰应该准备好处理和储存这些材料,包括玻璃化的高浓度放射性废物,但根据2018年Bellona的一份报告,乌克兰还远未准备好。最近的消息表明,乌克兰核机构Energoatom将建设一个新的综合体来储存国内的乏核燃料。但直到2021年初,该设施的建设尚未开始。


除了乌克兰,还有一些国家亟需乏核燃料后处理。由于目前世界上只有俄罗斯、法国和英国三个国家拥有商业反应堆乏核燃料的后处理设施,世界上大部分国家可能在不久的将来都会面临这一问题。俄罗斯原子能公司表示,他们已经开发出所谓的封闭式燃料循环,正在运行中,尽管它也承认,目前的模式远非最佳。


放射性废物和乏核燃料成为重大问题之一,俄罗斯开辟乏核燃料后处理市场


几年前,俄罗斯原子能公司估计,目前从核后处理中回收的铀和钚的系统,最多只能回收大约21%的乏轻水反应堆燃料。剩下的79%的铀-238必须被妥善储存。他们也正在开发新的核燃料循环,力图有效利用轻水反应堆乏核燃料总能量的77%。然而,目前还不清楚具体进展如何。在后处理过程中,乏核燃料的放射性水平确实降低了,但废物的总量却增加了。俄罗斯原子能公司实现封闭式燃料循环的项目被称为“Proryv”,意为“突破”。根据公司总干事利哈乔夫的说法,这项技术需要像BN-800或BN-1200这样的快中子反应堆。利哈乔夫在2017年9月底表示,俄罗斯在这一领域处于领先地位,而MBIR(多用途钠冷快中子反应堆)正在开发中。


正在德米特罗夫格勒建设的MBIR将是朝着“Proryv”项目迈出的一步。俄罗斯原子能公司将为MBIR建造一个核燃料生产设施,即位于西伯利亚化工厂的布列斯特OD-300反应堆。该项目包括一个燃料生产/再加工模块,用于生产高密度铀钚;一个带有BREST反应堆的核电站;以及一个旧燃料回收模块。BREST-OD-300的核电站将成为实验性能源综合体的一部分。试验性能源综合体的一部分,即ODEK,正在建设。整个项目预计于2026年竣工。


在2017年于伦敦举行的世界核协会研讨会上,柳德米拉-扎利姆斯卡娅介绍了俄罗斯原子能公司目前正在开发的封闭式核燃料循环的三种方案,其中提及的Tenex公司是俄罗斯原子能公司的核燃料循环产品供应商。


第一种方案是在现有的核电站中回收铀和钚。铀用于RBMK反应堆,钚用于BN-800快速反应堆。第二种方案是所谓的REMIX核燃料循环。REMIX燃料直接由来自旧燃料后处理的未分离的回收铀和钚混合而成,可以用于轻水反应堆。使用过的REMIX燃料可以反复进行再加工和循环利用。第三种情况是一个由两部分组成的核电系统,包括轻水反应堆和快速堆。在这种情况下,来自轻水反应堆的旧燃料经过后处理,铀在同一反应堆中循环使用,钚则在快速堆中循环使用。扎利姆斯卡娅补充说,俄罗斯准备向没有此类技术的国家提供从燃料供应到废燃料再处理的“全套服务”。她补充说,乏核燃料的数量将继续增加,到2050年全世界将达到约100万吨。她说,从这些废旧燃料中提取的铀和钚将足以为至少140个1GW轻水反应堆提供60年的燃料。“考虑如何将今天的负担变成宝贵的资源是有意义的”。


简而言之,俄罗斯原子能公司在全球范围内展开核电站的竞标,可能进一步为其建造的反应堆争取燃料再处理合同。他们直言不讳,后处理是实现核物质的与自然界的交换,最终还会向自然界归还他们从中获取的放射性物质。


来源: 嘿嘿能源heypower

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