日本乏燃料管理系统分析

《日本乏燃料管理系统分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《日本乏燃料管理系统分析（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 1 日本乏燃料管理系统分析： （I） 对材料平衡和贮存需要的预测 Koji NAGAN （电力工业中央研究院（CRIEPI ）社会经济学研究中心） 前言 介绍了用“SFTRACE” （乏燃料贮存、运输和成本评价系统）分析日本未来乏燃料的 累积及适当的管理战略，该系统包括 3 个子模型： （1）乏燃料贮存技术的经济成本数据库； （2）反应堆混合氧化物和钚利用的远期效果模拟； （3）对乏燃料管理战略的具体模拟。 远期效果模拟展示了在某个时间点应该解决全日本多少乏燃料库存的宏观概况。初步 计算表明， 到 2050 年在日本需要贮存的乏燃料将有很大变化从减少到零或持续增加达 到 2000025000

2、 tHM。乏燃料管理模拟的子模型是论证日本处理乏燃料累积战略的工具， 这些乏燃料在假设的时间范围内存放在每个核电厂场址上或许多中心设施中， 并需要运输。 一个示例性分析示出了乏燃料管理战略涉及因素之间的平衡关系，例如“离堆(AFR)”贮存 能力和全面运输要求，生动地证明了一体化分析工具的用处。 关键词：乏燃料，在堆贮存，离堆贮存，材料平衡，模拟 1 引言 核电厂经过数年的运行，不断增加的由乏燃料引起的压力在日本受到了极大关注，目 的是让那些核电厂在不造成电厂内贮存池超出贮存能力的情况下继续运行。为管理与整个 系统有关的风险，需要有战略规划及战略分析工具，而认真避免贮存池可能超出贮存能力， 从而

3、保持核能在国家能源系统中的可操作性。 在描述了日本乏燃料的现状和远景之后， 本文首先将乏燃料管理规划的分析方法分类。 从有限地理范围内（例如一个电厂或一个电力公司）的微观衡算到全国范围的宏观战略模 拟，潜在的用户会注意到这样的事实，即对方法的选择会严格依据具体的目的。然后本文 作者根据日本国情提出一个乏燃料管理的一体化分析工具。在接下来的一节中解释了模型 结构之后，列出了示例的数字结果。 2 日本乏燃料的现状和远景 表 1 示出了截至 2001 年 3 月日本所有核电厂乏燃料累积的现状，并附带 2000 年 9 月 之后 6 个月内的变化。日本目前的核电状况是：53 个机组，总装机容量为 45

4、.9 GWe（见图 1 2 ） ，每年卸出约 900 tU乏燃料。产生的这些乏燃料主要存储在核电机组场址的乏燃料池 中。由于乏燃料存储量已接近乏燃料池的容量，一些核电厂被迫增加存储能力，以避免乏 乏燃料管理 2 燃料池的存储量超出贮存能力。1997 年在东京电力公司的福岛 I 核电厂建成了一个容量为 1120 tU 池式贮存设施，以及一个干式金属屏蔽容器贮存设施。这些设施示于图 2 2 。按照 此方针，在日本原子能公司（JAPCO）的东海 2核电厂建造了容量为 260 tU（24 个屏蔽容 器）干式金属罐贮存设施，见图 3 2 。其它几个电厂通过重新安装贮存架，也增加了贮存能 力，在表 1中列

5、出了一些。 很明显提高现有反应堆现场（AR）贮存设施能力的机会几乎没有了，这就明确暗示迫 切需要采取离堆（AFR）贮存措施。2000 年 11 月青森县陆奥市宣布，邀请东京电力公司 在其地域内进行 AFR 贮存设施的场址调查。因为场址的特性调查早已开始，希望该倡议能 为其它电力公司打开通往此方向之路。 表1 日本核电厂中贮存的乏燃料（tHM） 截至 2001年 3 月 电力公司 核电厂 堆芯装料 每批燃料 贮存的乏燃料 贮存能力 北海道 泊 100 30 250(+10) 420 东北 女川 160 40 200(+10) 370 东京 福岛-1 福岛-2 柏崎刈羽 580 520 960 1

6、50 140 250 1140(+40) 1280(+30) 1470(+100) 2100 1360 1890 中部 滨冈 420 110 730(+10) 860 北陆 志贺 60 20 50(+20) 100 关西 美滨 高滨 大饭 160 290 360 50 100 120 280 850(+60) 740(+70) 300 1100 1370(+530) a)中国 岛根 170 40 340(+70) 440 四国 伊方 170 60 330 980(+450) b)九州 玄海 川内 270 140 100 50 420 580(+10) 1060 900(+200) c)日本原子

7、能 发电公司 敦贺 东海-2 140 130 40 30 440(10) 220 870 260 总计 4630 1330 9290(+380) 14380(+1190) （来源）发电公司联合会(FEPC)：http:/www.fepc.or.jp *括号中的变化是 2000年 9月以后的。 a) 3号和 4号机组重新安装贮存架 b) 3号机组重新安装贮存架 c) 1号和 2号机组重新安装贮存架 乏燃料管理的远景，即对额外贮存设施的需求，在很大程度上受下列因素影响： （1） 目前正在青森县六个所村建造的设计生产能力为 800 tU/a 的日本核燃料有限公司 （JNFL）后处理厂，何时开始运营以

8、及生产能力能达到多少。 （2）预计从 2010 年开始的机组退役后一次全堆芯卸料，而电厂内贮存池在退役的某 个阶段也将拆除。 即使六个所后处理厂能够成功以设计能力运营，它也不能每年接收日本核电厂的全部 3 卸料，以及过去的卸料。政府的官方观点示于图 4 和表 2。那些基本假设，尤其是后处理 厂的进度表已经过时了， 因为 JNFL 的六个所后处理厂已经重新制定了进度表， 计划在 2005 年 7 月开始运营。此实例清楚地说明了根据上面提到的因素的变化重做预测的重要性。 表 2 乏燃料管理的官方期望（tHM） （来源：国家资源和能源机构“关于乏燃料中间贮存” ，1999） 19972010 201

9、12020 累积乏燃料(a) 15200 16000 运往 JNFL/六个所后处理厂的乏燃料(b) 5900 8000 运往海外后处理厂的乏燃料(c) 70 AR贮存能力（d） 5300 4200 AFR贮存的要求(a-b-c-d) 3900 3800 累积 AFR要求 3900 7700 从长远方面说，明显需要大规模贮存设施。尤其是在 2010 以后，那时一些老的商用轻 水堆电厂可能要退役。随后一系列轻水堆电厂要关闭，这就意味着将会出现一方面是大量 一次性乏燃料卸出而与此同时损失了现场的贮存能力。 3 方法学和模型结构 3.1 预测乏燃料平衡和贮存需求的方法学 图 5 示出了在分析乏燃料管理

10、战略时应该考虑的因素。在一个国家将乏燃料直接处置 作为国家政策的情况下，图 5 中的“后处理设施”应该换成“地质处置库” 。即使在直接处 置的情况下，下面意见也适用。涉及的设施数将依据分析的具体范围或地理边界而定，反 映出分析的目的。乏燃料平衡计算有如下 3 种方法： （1）为每个电厂和/或电力公司衡算 微观衡算着重于根据已有的贮存能力计算每年乏燃料卸料的累积量。如果预期要超出 贮存能力，那么要在场址内（即 AR 贮存）规划增加贮存能力。无疑，所有核电厂和/或电 力公司都必须用该方法描绘一个最合理的场景，必要时设计一个应急控制场景。 （2）远期模拟 宏观计算覆盖较大的地理范围，适用于一个拥有多

11、个核电厂的电力公司、一个有多个 电力公司的地区或国家。 该计算基本上是根据第一种方法微观计算的所有相关结果的总和， 在合适的情况下，可以选择乏燃料在各电厂之间和/或电力公司之间转运。依据下面总战略 的选择设定几个场景：是选择在每个场址的单个 AR 贮存装置，还是选择集中贮存设施（即 AFR 贮存设施，控制超出贮存能力） ，还是允许在各场址间转运等。如果不久就会有足够 的管理乏燃料的贮存和装卸能力，用该方法可以解释一种管理战略，与此同时可以用经济 指标和其它性能指标判断哪一个战略最理想。 4 堆型 运行中 建造中 建造筹备中 PWR BWR GCR,FBR 运行中 建造中 计划中 总计 总装机容

12、量 机组数 GWe 机组数 GWe 机组数 GWe 机组数 GWe 1991年 9月 41 32 11 12 3 2 55 36 1996年 12月 51 43 4 3 2 2 57 48 2002年 1月 53 45.9 4 4.12 6 7.24 63 57.26 敦贺 普贤 文殊 美滨 大饭 高滨 卷 东通 女川 福岛 I 福岛 II 东海 东京 滨冈 岛根 上关 柏崎刈羽 大间 泊 志贺 玄海 川内 伊方 六个所核燃料循环设施 图 1 截至 2002 年 1 月日本的核电厂情况 （注：东海-1核电厂已于 1998年 3 月 31日关闭） （a）池式贮存 （b）金属屏蔽容器贮存 图 2

13、在福岛 核电厂的 AR 贮存装置 5 （3）远期最优化 如果有钚再循环方案，乏燃料管理 场景就可能要复杂得多，因为钚再循环 在不同时间会产生不同的乏燃料（UO 2 和 MOX） 。这种方法的目的是根据钚再 循环要达到的程度、要建造的乏燃料后 处理设施贮存能力的大小以及整体乏燃 料管理战略构想，来最优化核能生产及 利用的整体国家战略。很明显，重点应 放在国家反应堆混合战略上，带乏燃料 管理的燃料循环战略作为协调方式的核 心。该模型不仅包括核能生产部分，还 结合了整个能源系统模型，这样，就计 算出了核能生产的最佳水平。远期最优化技术的例子可见于本文作者开发的 FCOM（燃料 循环最优化模型）应用中

14、， 3,4 更详尽的细节可见一体化能源环境预测框架LDNE21 模 型（21 世纪线性动态新地球）模型。 5图 3 截至 2001 年在东海-2 核电厂建造中的 干式金属罐贮存设施 图 4 对乏燃料产生量和管理的预测（来源：通产省） 乏燃料(tU/a)财政年度 1500 0 1000 500 1995 2000 2005 2010 JNFL 后处理厂 PNC东海设施 海外后处理量 乏燃料产生量 要贮存的量 假定： 财政年度 1995 2000 2010 核电生产能力(GWe) 4150 4500 7000 乏燃料年卸出量 9001300 tU/a PNC东海后处理厂 1996年底接收乏燃料 J

15、NFL 后处理厂 1997年开始接收乏燃料。 2003年以 800 tU/a的生产能力开始运营。 6 表 3 成本数据库结构 3.2 模型结构 本文作者开发的此模型命名为 SFTRACE 6 （乏燃料贮存、运输和成本评价系统） ，它 主要建立在上一节描述的远期模拟方法上。图 6是对该框架的概述。 SFTRACE 有 3个子模 池式、金属屏蔽容器、混凝土屏蔽容器贮存系统的费用 总投资 建造费用 设备费用 退役费用 购买金属屏蔽容器和/或混凝土屏蔽容器费 运行和维护费 用 有/无屏蔽容器装卸的公用工程费用 有/无屏蔽容器装卸的人工费用 维护费用 其它和应急费用 根据主要变量费 用变化的因素 从核电厂到 AR/AFR 或后处理厂的运输费用 屏蔽容器费用 屏蔽容器装卸 内陆运输费用 海上运输费用 运输屏蔽容器的租赁费 人工费 吊车和拖车的租赁费 人工费 港口使用费 船只（包括燃料）的租赁费 人工费 保险费 7 型： 贮存成本数据库 远期反应堆混合模拟 乏燃料管理战略的模拟 3.3 贮存成本数据库 乏燃料贮存的成本数据库包括水池、金属屏蔽容器和混凝土屏