由于乏燃料通常先在反应堆水池内储存一段时间,然后才转移到乏燃料中间储存设施,在初始储存期间,放射性核素的数量、辐射场的强度和衰变热的产生量都将大大地降低,这就使得在乏燃料中间储存设施内导致事故的各种条件的形成过程相对变慢,在它们达到极限条件之前可以有足够的时间采取纠正行动。
因而,乏燃料转运和储存操作无需依赖于复杂的能动保护系统。这样乏燃料干式储存设施可由非能动的系统组成,能在几十年内提供充分的安全特性,有关乏燃料的运转和储存操作也变的相对简单。
相对于需要水池的湿法储存,采用干法储存乏燃料具有许多优势,例如:干法储存不需要使用储存水池燃料储存容器能够承受较大的冲击和温度变化技术相对简单干法储存设施建造成本低非能动性质,运行、维修费用低模块化建造,容易扩容结构比较方便与运输的接口操作非能动冷却式干法储存装置由于设备(泵、压缩机等)需求少,所以它的维修量少而且可靠性高。还有,应该不要忽视干法储存还具有以下一些优点:
可能在很少或没有腐蚀问题的情况下进行长期储存以及对操作人员和环境相对小的辐射剂量退役时,问题要少得多产生的二次废物最少有可能把它作为乏燃料最终处置的一种方法但总体而言,乏燃料干式储存的优点较为突出:技术可靠、环境安全、二次废物少、总费用低、建造周期短、操作简单、便于管理。所以,它已成为二十世纪较为广泛使用的一种成熟技术。
1、干法储存的安全性
乏燃料干法储存必须达到的基本安全目标:
提供足够的辐射防护,保障设施内的员工不受到放射性辐射的影响燃料储存在容器内,防止任何放射性物质从容器内释放到周围环境中这些目标并不难实现。在干法储存容器中,容器破裂导致放射性物质释放到周围环境中的几率很小。在干法储存容器中,固体物质(核燃料组件)被完全置于一种坚固的、较厚的容器中。这种系统发生完全崩溃并释放出放射性物质的可能性很小。然而,当燃料并未完全装在容器内,处于移动过程中,尤其在装料和卸料过程中时,必须谨慎处理。
为了确保干法储存容器系统提供足够的辐射防护和安全壳,设计这样的系统时必须满足以下要求:
在储存过程中,燃料包壳必须保持完整性必须避免高温,因为高温可能导致燃料降解必须防止发生意外的链式反应(“临界”)必须提供有效的辐射防护必须避免放射性物质的释放一旦发生问题,必须确保实现燃料回取
大多数水池和干法储存系统可以完全满足这些要求。
世界各国的经验和许多监管报告增强了干法储存具有安全性的结论。美国核管会(NRC)表示在100年之内干法储存是安全的,而且是环保的。当然这并不是说干法储存系统不会面临安全挑战。有效的监管和安全监测对于确保建造高质量的储存容器和配套设施、确定装载燃料和储存容器密封的工序是至关重要的。燃料装载结束之后,需要对储存容器进行定期监测。在正常运行期间,发生事故也包括地震、龙卷风或者飞机坠毁时,设计的系统都必须保证其安全性。
2、干法储存的灵活性
乏燃料干法储存是一种相当灵活的方法,不但提供了最方便、最具成本效益的乏燃料储存管理方法,而且随着时间的推移,适应了不断变化的环境。对于追求开放式燃料循环的国家,如美国,在研究处置库的过程中,干法储存提供了长期安全储存乏燃料的选择。对于追求闭式燃料循环的国家,如日本,干法储存为控制后处理的时间和速度提供了更灵活的选择,这样可以实现更好的经济和能源目标;如果一个国家推迟后处理并且不希望建立分离钚的贮库(如日本),或者为了采用先进技术实现长期管理,暂时储存乏燃料,都可以使用干法储存。对于结合上述两种策略的国家,干法储存在路线方面提供了额外的灵活性。在每个反应堆场区、中间储存设施(如德国)或者多个场区,包括堆内或堆外设施都可以采用干法储存系统。如果需要的话,任何设施内都可以增加干法储存的容量。简而言之,干法储存可为乏燃料管理提供灵活性,为计划建造永久处置库或后处理设施争取时间。
3、干法储存的经济性
干法储存所采用的系统、干法储存设施所需进行的改造、每个国家的许可证要求以及干法储存设施容量的差异,都会导致干法储存的具体成本不同。
在美国,不管乏燃料的具体贮量多少,在反应堆内建造一个新的干法储存设施所需的前期总成本约为900万美元或800万-1200万美元。购买和装载干法储存容器的成本,包括劳力、消耗品、退役,乏燃料中每千克重金属的成本介于60-80美元。由于一旦将乏燃料装载到储存容器中,就不需要做任何工作,因此运行成本非常低,主要成本是为维持核管会的设施许可证所提供的安全措施和安全监控。对于储存设施与反应堆在同一场区的情况,许多成本可以计入反应堆运行的成本中,这样净运行成本就只需75万美元/年。对于独立储存场区或已停堆的反应堆内储存场区,这些成本应属于储存场区,净运行成本相当高。对于停堆的反应堆,其所有的乏燃料都进行了干法储存,每年的运行成本约为300-400万美元。(相比而言,在反应堆停堆后,如果业主选择将燃料储存在储存池中,与之前的水池储存没有区别的话,年成本约为900万美元)。如果反应堆仍然继续运行,将反应堆整个运行期内产生的约1000吨乏燃料干法储存40年,未贴现总成本约为1.2亿美元或120美元/kgHM;如果反应堆停堆的话,未贴现总成本约为2.5亿美元或250美元/kgHM;这40年的贴现值很少,因为几乎所有的成本主要是前期的费用。按照5%的比例计算,在整个储存期,如果反应堆继续运行的话,净现值将为100美元/kgHM;如果停堆后乏燃料储存40年,净现值为160美元/kgHM。大型中间储存设施每千克乏燃料的储存成本类似于在堆乏燃料的储存成本。
与后处理或直接处置的成本相比,乏燃料临时储存的成本很低,这是可以预料的,因为临时储存只是暂时的解决方案,在几乎所有的行业,永久的解决方案都是比较昂贵的。从严格的经济角度来看,反应堆运营商应支付临时储存费用,允许为乏燃料后处理或直接处置成本贴现(discount thecost)。问题的关键是不应该由于临时存储成本较低、优化了时间和速度而推迟永久性解决方案,这只是提供了灵活性,最终还是要实现永久的解决方案。