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确保乏燃料运输“霸气”不外漏

发布时间:2017-09-26 10:24:49   来源:    浏览次数:306

◎本刊主笔  季天也

生活垃圾的运输,素来是由常在街头出没的环卫垃圾车负责的,这一点大伙早已司空见惯。但有一种“垃圾”,虽然很少上路,但一上路就享受着外国领导人访华的待遇:身披致密而坚硬的“铠甲”、军警部门全程押送、车队浩浩荡荡……这个有着强大“气场”的垃圾,就是来自核电厂的乏燃料。

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日本的乏燃料运输车

乏燃料并非纯废料

核电厂发电所用的核燃料中,负责裂变供能的是核子数为235的铀,称为铀-235。和煤炭、石油等常规燃料不同的是,核燃料中的铀-235是无法一次性“烧”尽的,当它的纯度下降到一定程度,核燃料就不足以再维持核反应的稳定,导致反应堆发电功率下降,这时的核燃料就成了乏燃料。所以,要在这个节点之前让反应堆停止运行,把烧“乏”的核燃料从反应堆中卸出来,再换上一部分新的燃料才能接着发电。以主流的高压轻水反应堆(简称压水堆)为例,一台功率为百万千瓦级(当代核电机组的主流功率级别)的核电机组,每年产生的乏燃料为18~25吨。

负责世界各国核技术合作和安全监管的国际原子能机构(IAEA),根据放射性强度的差异,将包括核废料在内的所有放射性废物分成6个等级,由低到高区别管理,依次是免管废物(EW)、极短寿命废物(VSLW)、极低水平放射性废物(VLLW)、低水平放射性废物(LLW)、中等水平放射性废物(ILW)和高水平放射性废物(HLW)。以乏燃料为代表的高放射性废物,射性强、半衰期长、化学毒性大,尽管体积份额只占核电厂放射性废物总量的3%,但对放射性水平的贡献度却高达95%。

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乏燃料铁路运输的装卸过程

乏燃料虽是用过的核燃料,但绝非像煤灰煤渣一样沦为废物。根据世界核协会(WNA)的数据,乏燃料中仍有九成以上的铀,另有1.27%的钚和5.15%的裂变产物。乏燃料的安全出路有两条,一是“一次通过”策略,就是直接把乏燃料当作高放射性废物来处置——经冷却、固化和特殊封装后,进行500~1000米的地质深埋,以屏蔽放射性和衰变热。这种方法属于开式循环,采用此方法的代表国家有美国、加拿大、西班牙、瑞典、芬兰等。二是后处理策略,属于闭式循环,即先用技术手段回收乏燃料中还没烧完和仍有利用价值的铀、钚等放射性核素,其余的再按放射性等级分门别类处理(详见《环境与生活》2015年8月号《处理好的核废物 辐射小于X光》一文)。为了提高铀资源的利用率、节约空间、以及削弱核废物的放射性危害和化学毒性,法国、中国、英国等国家都采用后处理策略。

乏燃料容器先要历四“劫”

乏燃料的主要特性是极强的放射性和热能释放。为了公众、环境和工作人员的安全,用来装乏燃料的容器有着非常严格的设计和建设要求,不仅在正常情况下能耐受高温并屏蔽放射性,还要扛得住运输过程中可能发生的各种严重事故。

刚刚烧完的乏燃料余热很猛,所以各个核电厂通常都建有乏燃料贮存水池,用来临时储存自身反应堆卸出的乏燃料,以便冷却其产生的衰变热。暂存5~8年后,乏燃料的热量冷却到一定程度,再通过专业运输,送到乏燃料后处理厂或集中贮存地。

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乏燃料贮存水池是每座商用核电厂的标配

据国际原子能机构介绍,乏燃料容器从设计、生产到投用都需要经过各国核安全监管机构的一系列严格又枯燥的审批流程,而且在实际“上岗”前还要历尽四劫:撞击、穿刺、火烧和水淹。一番摧残之后,容器不能让乏燃料“霸气外漏”,容器外放射性剂量不能超过安全限值,并且不会引发链式核反应。

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乏燃料容器在正式使用前需要经历撞击、穿刺、火烧和水淹四项测试,确保它能安全存放乏燃料。

几十厘米重甲防“霸气外漏”

为了屏蔽放射性,乏燃料容器有着厚达12~38厘米厚的外壳,由钢材、混凝土等材料组成。在这种材质和厚度下,公路运输所用的乏燃料容器的满载重量高达25吨,其中的乏燃料只有一两吨重。铁路运输所用的容器可以携带20吨乏燃料,满载重量150吨左右,比公路运输容器的装载率高了不少。容器的末端设有防撞缓冲装置,用来吸收和化解事故带来的冲击力。核电机组数量最多的美国,在过去的35年间已经安全运输了超过1300次乏燃料,只有4次遭遇了事故,但都没有造成放射性物质泄漏。对于乏燃料运输过程中的风险,美国核管会最新的评估显示:乏燃料例行运输带来的放射性水平,不超过公众每年受到的天然本底辐射的千分之一,也就是2.4微希/年次左右,比坐一小时飞机受到的宇宙射线辐射剂量(约3微希)还低;放射性物质在运输事故中泄漏的概率低至十亿分之一;如果不幸真的泄漏,其辐射剂量对最脆弱的人也不会造成直接伤害。


四部委联动护送乏燃料

我国的核电厂都建在东部沿海,而乏燃料的集中贮存场所远在西北内陆的甘肃地区,运输里程长达三四千公里。为此,乏燃料的运输也有一套严密的体系。按照《放射性物品运输安全管理条例》《核反应堆乏燃料道路运输管理暂行规定》《道路危险货物运输管理规定》等规章制度要求,运输之前需要做环境影响评价、安全分析等报批,要对路线、时间、重量、应急措施等提出非常明确的计划。

乏燃料的道路运输被定性为“国家管制的核活动”,需要多个国家部委联动,根据各自职能接手监管任务。

国防科工委负责协调乏燃料运输管理活动,审查核发乏燃料转移批准文件和装运批准文件,审查乏燃料运输事故应急预案,监督有关保密措施。

公安部负责乏燃料道路运输的公共安全管理,审查核发乏燃料道路运输通行证件,对乏燃料道路运输的实物保护实施监督,指挥、协调地方公安机关查处危及乏燃料安全运输的案(事)件。

交通部负责乏燃料道路运输承运人(单位)、驾驶员及其他运输作业人员资格认可的管理,协调乏燃料公路超限运输车辆行驶道路的管理工作。

卫计委负责乏燃料运输工作人员的健康监护和辐射防护监督,组织提供乏燃料运输事故应急医学支援。

武装押运 逢跨省测辐射

按照规定,乏燃料运输单位在运输前两个月应该向国家核安全局提交《安全分析报告》和《环境评价报告》。在《安全分析报告》中,一般会提交两条运输线路,其中一条为正式线路,另一条是备选线路。一旦运输前的审批流程走完,乏燃料就必须按照指定的时间、路线、车型和行驶速度上路运输,同时要悬挂警示标志,配备武装押运人员,全程监控。乏燃料的承运方都是有专业资质的运输公司,一般会使用经过其他国家实地运输考验过的车辆,要求防火、防撞击、防翻滚。路线方面则要求坡度小、隧道少、周围地质稳定、不会出现泥石流/塌方,以及远离大城市和人口密集区的道路。如果要换车或换路线,需要进行很多次的试验,并上报国家核安全局。当各种参数符合都要求后才能获批,这可是个大工程,不是运输在即临时说换就能换的。

用来运输乏燃料的货车都是经过实地运输考验的专用车,运输前不能想换就换。

我国乏燃料公路运输体系从2000年开始建设,2003年首次实现大亚湾核电厂乏燃料运输。从2003年8月15日,环保部国家核安全局发布的《关于颁发大亚湾核电站乏燃料公路运输装运批准书的通知》可以看出,乏燃料的各项参数、运输环境温度、容器表面的辐射剂量、详细路线等都有严格规定。乏燃料货包每次启运前由广东省环保厅组织进行一次辐射监测,到终点后卸货前由甘肃省环保厅组织进行一次辐射监测;沿途各省环保局在进入本省辖区第一个停靠点,再组织进行一次辐射监测,并见证运输公司在该点的监测结果。当车辆经过高度超过9米的桥梁和边坡等架空路线,需进一步严格限速,并进行交通管制。

未来需要公铁海联运

至今,我国已初步建立了乏燃料公路运输体系,其中包括公路运输的辐射防护体系、应急指挥与响应体系、运输及装卸作业工具和专业队伍。但与欧洲乏燃料综合物流相比,我国对乏燃料的海路运输和铁路运输还十分薄弱。

我国自2015年重启核电以来,随着越来越多的核电机组投入发电,乏燃料的运输需求会快速增加。中国《能源》杂志2014年报道称,乏燃料从大亚湾核电厂运至甘肃的接收地,从装料、运输到卸料需要约3个月/次。加上冰雪、冰冻、台风等天气影响,每年平均仅能执行两次运输任务。根据国防科工局组织编写的《核电站乏燃料处理处置基金2011~2020年使用规划(专家咨询稿)》,2016年前后,全国乏燃料年运输量将增加到600组左右,在“十三五”期间,全国核电站所需外运的乏燃料总数将超过3000组,而我国目前乏燃料的公路运输能力只有104组/年。可见,发展公、铁、海多式联运的乏燃料综合物流,是大势所趋。

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海路运输来的乏燃料在法国某港口卸货

乏燃料后处理节“铀”减排

要缓解乏燃料压力,除了加强运力,后处理这棵科技树也得多加培育。

根据世界核协会(WNA)2013年的统计,中国可开采铀资源储量近20万吨,只有全球的4%,并非富铀国家。核燃料中,负责裂变供能的是铀-235,还有少量铀-238吸收中子后转化而来的钚-239。铀-235是地球上唯一天然存在的易裂变核素,但它在天然铀资源中的含量仅有0.711%,其余99%以上几乎都是不易裂变的铀-238,被称为可转换材料。

轻水反应堆(包括压水堆和沸水堆)燃料中铀-235含量为3%~5%才能发电,叫做低浓缩铀。每生产1吨铀-235含量为3%的低浓缩铀,需要5.5吨天然铀原料,其余4.5吨原料则沦为贫化铀——铀-235比例下降到0.2%左右,没有工业价值。按“一次通过”法处理,轻水堆的铀资源综合利用率只有约0.6%,如果通过后处理把乏燃料中的铀-235“榨”出来回用,一次循环就可以省“铀”(指天然铀)15%~20%;如果随核反应生成的钚239也一并回用,更可省“铀”35%~40%,相当于把铀资源的综合利用率提高到0.8%~1%,效率比开式核循环提升了1/3~2/3。法国作为乏燃料后处理的国际先驱,拥有一座该后处理能力达1700吨/年的“旗舰级”核燃料循环厂——阿格厂,满负荷运行可承担90~100台百万千瓦级核电机组的后处理需求,单是从乏燃料中回用的核燃料,就为法国贡献了超过10%的电力。更重要的是,经过后处理工序,乏燃料中真正沦为高放射性废物的只剩不到4%,既减少了资源占用,又提升了核废料的安全性。

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责编:季天也

网编:吴燕芳