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6 龍門核電廠建廠管制報導 7 英國用過核燃料再處理設施 現況 8 參加兩岸放射性廢棄物地質 處置技術研討會與考察甘肅 北山場址
英國用過核燃料再處理設施 現況

7 英國用過核燃料再處理設施 現況

文‧ 編輯室


核反應爐提供我們便宜、穩定的電力,但發電後所產生的廢棄物,因受到放射性汙染無法隨便丟棄,必須尋找合適的地方來做永久性處置,以防止這些廢棄物的放射性物質對環境或人體造成任何傷害。

電廠或醫療研究單位棄用的工作服、器具與工具等,屬於低放射性的廢棄物,在經過適當的減容與包裝後,確保其中所含的放射性物質無法釋出,即可放入廢棄物貯存庫內暫存,或移入最終處置場做永久處置。

而用過核燃料因放射性極高,離開反應爐後必須先在用過核燃料池中冷卻數十年才可移入最終處置場;但因用過核燃料中仍有將近96%的鈾可透過「再處理技術」來回收再使用,不僅可減少用過核燃料的體積,還可降低其放射性活度,有些國家因此選擇使用「再處理」的方式來處理用過核燃料,英國就是其中之一。身為現今全球唯一擁有兩座用過核燃料再處理廠的國家,除了可再處理境內生產的用過核燃料之外,還可替別的國家提供服務。



「再處理技術」就是使用化學方法來將用過核燃料中的鈽與鈾分離,再做回收的動作。目前國際商用再處理廠使用的技術以「溼式化學分離程序PUREX(Plutonium and Uranium Recoveryby EXtraction)」,或稱「鈽鈾萃取回收法」,即指將用過核燃料切成小塊狀,將鈽與鈾自強酸性溶液中萃取出來(可回收的鈽與鈾分別占0.9%與95.6%),與無使用價值的分裂產物分離,分離出來的鈽與鈾可以再製造成新的核燃料,分裂產物則以玻璃固化技術密封於密封桶中,屬於高放射性廢棄物。



賽拉斐爾德(Sellafield)

位於英國中部的賽拉斐爾德(Sellafield)廠址,占地約400公頃,為歐洲最大的核子設施廠址,除了座落著兩座已永久停機的核電廠(目前均進行除役作業中,其中一座為全球首座商用反應爐)與一系列約200座的核子相關設施之外,還有兩座用過核燃料再處理廠,分別為M a g n o x 再處理廠與T h o r p 再處理廠,以及一座氧化核燃料(Mixed OxideFuel,MOX)製造廠,這3座核子設施也是賽拉斐爾德僅存商轉中的主要核子設施。

賽拉斐爾德廠址最初由英國核燃料公司(British Nuclear Fuels Limited)所擁有, 目前則轉至英國核子除役管理局( N u c l e a r D e c o m m i s s i o n i n gAuthority,NDA)旗下,由賽拉斐爾德有限公司持照營運,並藉由再處理獲得的收益來分擔各核子設施除役所需的費用。

賽拉斐爾德內的Magnox再處理廠,主要用來處理英國早期的反應爐—鋁鎂鈹反應爐(Magnox Reactor,又稱鎂諾克斯合金反應爐)與輕水式反應爐(Light WaterReactor)所生產的金屬型核燃料;而Thorp再處理廠(Thermal Oxide ReprocessingPlant,又稱熱氧化再處理廠)則用來處理英國進步型氣冷式反應爐(Advanced Gas-Cooled Reactor)以及其他境外國家核電廠所產生的氧化物型用過核燃料。

鎂諾克斯(Magnox)再處理廠
Magnox再處理廠自1964年開始運轉,在不間斷的改良以及更新下已成為一座設備非常完整的再處理廠,除了再處理設施本身之外,還擁有一座占地超過2公頃、用來收集與貯存用過核燃料的燃料處理廠、一座可將固體中放射性廢棄物壓縮並裝罐的封裝廠,以及一座中放射性廢棄物貯存桶倉(已於2000年貯滿)。

Magnox再處理廠至今已運轉超過50年,每年可處理約1,500噸由英國鋁鎂鈹反應爐所產生的用過核燃料。由於英國共26座的鋁鎂鈹反應爐均建於1960年前後,NDA自2005年即開始著手所有鋁鎂鈹反應爐的除役相關事項,也於2015年12月底關閉最後一座、也是規模最大的鋁鎂鈹反應爐。隨著英國的鋁鎂鈹反應爐邁入歷史,Magnox再處理設施也預計在2017年停止運轉,封裝廠則預計在2021年結束營運。



身為英國第一代核電機組的鋁鎂鈹反應爐,以外罩鎂合金護套的天然鈾作為燃料而聞名,但也因如此,以水冷卻鋁鎂鈹反應爐的用過核燃料時,金屬護套會因為化學作用而遭到腐蝕,導致鋁鎂鈹反應爐的用過核燃料無法長期貯存,必須盡速對其採取再處理。

而在進行再處理作業前, 自反應爐移出的用過核燃料必須在冷卻池內存放至少180天,讓壽命較短的分裂產物自行衰變,再來便可運送至Magnox再處理廠中的一座燃料處理設施將鎂合金護套拆除,之後再將護套內的用過核燃料轉移至再處理設施,來進行再處理的環節。拆除下來的鎂合金元件等中放射性廢棄物則轉移至Magnox再處理廠內的專門桶倉貯存,但該座桶倉已於2000年貯滿。

鋁鎂鈹反應爐燃料的再處理過程,是將受過輻射照射的燃料棒浸泡在硝酸中溶解,然後經由一系列的萃取過程,將鈾、鈽以及分裂產物分離成三條支流,再將這三條支流分別導向賽拉斐爾德內不同的廠區作不同的處理:將鈾的支流(硝酸鈾型態)轉換成固態的三氧化鈾(UO3)後裝桶貯存;鈽的支流(硝酸鈽型態)轉換成固態二氧化鈽(PuO2)後裝罐貯存;分裂產物的支流(硝酸液體型態)則先貯存在高活性的貯存槽內,再對其進行玻璃固化後貯存。


    

由於Magnox再處理廠為英國唯一可以回收鋁鎂鈹反應爐核燃料的再處理設施,單就這點而論就可看出Magnox再處理廠在英國核工業界的重要性。除了用過核燃料的拆卸以及再處理之外,Magnox再處理廠還負責了所有鋁鎂鈹反應爐的除役作業,自停役的鋁鎂鈹反應爐上拆卸下來、受放射性汙染的機組零件與其他原料也一同存放於此。經再處理分離出來、目前暫存在該廠的氧化鈾則預計在2017年移至英國核燃料公司旗下的卡本赫斯特(Carpenhurst)鈾濃縮廠貯存。



    

索普(Thorp)再處理廠
而位於賽拉斐爾德的另外一座再處理廠—Thorp,則是將所有用來再處理氧化核燃料(Oxide Fuels)的設施集中在一起的一座熱氧化再處理廠。於1994年開始試運轉的Thorp,一年可處理約900噸的用過核燃料,專門處理英國的第二代反應爐—氣冷式反應爐所生產的用過核燃料。



除了回收英國境內二代反應爐的用過核燃料之外,Thorp也替日本、德國、瑞士、義大利、比利時等其他國家再處理輕水式反應爐(壓水式與沸水式兩種反應爐)的用過核燃料,目前已運送了超過1,200噸的鈾並完成再處理作業,避免超過1,400萬噸的二氧化碳排放至大氣中。Thorp再處理的過程主要分為3大部分:
1.用過核燃料的接收、拆除護箱與貯存
2.用過核燃料的裁切與溶解
3.溶解後的鈾、鈽與其他廢棄物的分離

運送至賽拉斐爾德的用過核燃料必須裝在符合國際原子能總署(IAEA)標準的運輸護箱內,確保即使在嚴重事故下仍不會釋放任何放射性物質,再以鐵路(境外國家則結合海運)運送至賽拉斐爾德。抵達賽拉斐爾德的用過核燃料,必須先在水中將核燃料自運輸護箱中移出,貯存在儲存池內進行冷卻,冷卻足夠後才可開始再處理的程序。

完成冷卻後的用過核燃料束會先送至廠內的一座頭端接收設施,將燃料裁切成小塊狀,再將燃料塊放入充滿硝酸的容器中溶解,以導管將剝除的外層燃料套濾出。溶解出來的燃料液體則轉移至Thorp再處理廠內的化學分離設施,使用溶劑萃取將96%的鈾與1%的鈽,以及剩下3%的廢棄物分離出來。分離出來的廢棄物會被送至一座高放廢棄物廠,將其濃縮、貯存,最後進行玻璃固化,而分離出來的鈾與鈽則會被轉換成氧化物粉末後再貯存。

如上述所提,用過核燃料中共有將近97%的成分屬於可回收的鈾與鈽,自賽拉斐爾德再處理設施分離出來的鈾、鈽分別貯存在廠內專門的處置庫。回收鈾以三氧化鈾粉末的型態裝入50公升的容器中貯存,每桶約可裝200公斤的鈾。

根據英國政府規定, 來自境外的用過核燃料所分離出來的鈾必須運送回原國家,至於由英國境內核燃料所分離出來的鈾,目前NDA還未對這些回收鈾的去向做出決定,但已知可能的方案有3種,分別為製成新燃料、長期貯存,或視為廢棄物並運送至高放射性廢棄物深層地質處置場做最終處置。

回收鈽則以二氧化鈽粉末的型態裝入由3層不銹鋼製成的罐裝容器中,每罐約可盛裝6-7公斤的固體二氧化鈽,裝罐後會先存放在賽拉斐爾德廠內專門存放鈽的貯存庫,之後再運送至MOX燃料製造廠,重新再製成核燃料供可使用MOX燃料發電的核電廠使用。



混合氧化核燃料(MOX)
MOX燃料是由氧化鈾與氧化鈽所組成,氧化鈾來源較廣泛,可以是天然鈾、再處理鈾或著貧鈾;氧化鈽則是從反應爐燃燒鈾燃料的過程中所產生。早期生產鈽主要是為了軍事目的,但隨著原子能和平利用的推廣與IAEA嚴格的監控下,現今大多數國家均單純使用在反應爐發電方面。因此,英國政府相信,自用過核燃料中分離出來的鈽的最有效利用方式,就是將其再製造成燃料供反應爐使用。目前用於反應爐發電的MOX燃料,鈾與鈽的比例為93%比7%,因在反應爐中有與低濃縮鈾相似的作用,而被視為其中一種低濃縮鈾的替代品。(註:MOX燃料的鈽濃度不足以發展軍事用途)

但是,並非所有反應爐都可使用MOX燃料,因為使用MOX燃料會改變整個反應爐的工作個性,通常只會有1/3的燃料可以用MOX燃料替換,因此,核電廠必須重新設計或調整才可使用MOX燃料,也必須重新授權。除了是發電用反應爐的替代燃料之外,MOX燃料也可用於其他種類的反應爐,例如快中子滋生反應爐等。經由添加少量的鈽,使得核燃料循環能更順利的進行,是MOX燃料的優點,如果控制得宜,MOX燃料的利用率可提高非常多。

放射性廢棄物
再處理後除了鈽與鈾之外所剩下的廢棄物液體,被歸類為高放射性廢棄物,在經由玻璃固化、裝入180公升的不鏽鋼容器後,貯存於賽拉斐爾德內的高放射性廢棄物貯存設施。在進行最終處置前必須先貯存50年,以降低其溫度以及放射性,之後待英國高放射性廢棄物最終處置場場址確認及完工後,即會運往處置場做永久處置。

進行再處理作業前,從用過核燃料束切除的外殼與端板等組件則屬於中放射性廢棄物,在放入特殊容器內並灌注混凝土使其安定化後,直接貯存在賽拉斐爾德廠內,預定於2040年移至中放射性廢棄物最終處置場。而進行再處理作業過程期間所使用的工具、手套、木材與塑膠等物品,因受輕微放射性汙染,屬於低放射性廢棄物,其中的金屬將儘可能除汙,以重複使用;不能再利用者則在統一壓縮後裝入半高型國際標準貨櫃,運往賽拉斐爾德附近的德瑞葛(Drigg)低放射性廢棄物最終處置場做永久掩埋。

NDA自2010年即開始將國外電力公司(日本、荷蘭、德國、瑞士與義大利)的用過核燃料,經由Thorp再處理後所產生的玻璃固化放射性廢棄物歸還。最近一次是在2015年9月底,將5桶運輸桶、內含共124罐的玻璃固化高放射性廢棄物,以鐵路自賽拉斐爾德運送至港口後,再以特殊的運輸船艦運回日本,完成第5階段的玻璃固化高放射性廢棄物運送作業。

但因再處理成本高昂, 加上國際鈾價格低廉,現今多數國家傾向於直接處置用過核燃料,也不願使用經再處理製成的核燃料,因此,在各方面的經濟考量下,Thorp將在所有現有客戶合約完成後關閉,時間預計為2018年,英國目前也暫定未來不會對新建反應爐的用過核燃料進行再處理。

    

    

當瑞(Dounreay)
除了Magnox與Thorp,英國在更早之前還在另一座擁有2座快中子反應爐,以及1座測試用反應爐的大型核子設施廠址—當瑞(Dounreay)內建造一座再處理廠,專門再處理國內外自研究或測試用反應爐所產生的用過核燃料。當瑞廠址內的再處理設施建於1957年,已於1996年停止運轉,期間再處理過約1.3萬束用過核燃料,其中有接近1/3是來自其他國家。該設施目前也處於除役階段。

回收鈾與鈽的未來
早期不止英國,還有許多國家如保加利亞、捷克、荷蘭、匈牙利、西班牙、斯洛伐克、瑞典、烏克蘭與斯洛維尼亞等,都採取「再處理」用過核燃料,將其中的鈾與鈽回收再利用。然而,除了有核武擴散的風險,現今因為再處理的費用比將其直接處置高出許多,加上再製成MOX燃料的成本過高導致市場的價值低迷,且再處理作業期間所產生的高放射性廢棄物,仍需運回原委託國家做最終處置,種種原因導致這些國家決定放棄再處理這條路,而致力找尋當地最適合建立最終處置場的場址,例如芬蘭與瑞典,但大多數國家尚未對此做出決定。



雖然如此,法國、俄羅斯、日本(興建中)以及中國(測試中)仍決定繼續對用過核燃料採取再處理的方式,英國則決定在現有合約完成後暫緩再處理的計畫。

至於目前所貯存於英國、超過100噸的回收鈽,NDA表示,所有的工業技術均有其利與弊,並沒有所謂「完美」的解決方法,但目前在深入研究後可採納的方法有3種,均是再製成新的核燃料,只是供3種不同類型的反應爐使用,供輕水式反應爐使用的MOX為其中一種,另外兩種為CANDU反應爐以及PRISM快中子反應爐的燃料。因此,多項一同進行或許是能創造最大經濟效益的辦法。

為了安全、又符合經濟效益的管理用過核燃料,NDA每兩年均會與供應商一起,對上述3種核燃料再製造重新進行技術研究,以確保有一定深度的瞭解,包含在風險方面亦是。

N D A 也補充,他們會與供應商一同合作,除了會持續收集核燃料再製造方面的資訊之外,也會對現有的3種作法做更深入的研發。收集到的資訊經過整理後,英國能源暨氣候變遷部門(Department ofEnergy and Climate Change)將開啟必要的內閣程序,來決定是否要採用。當政府對其首選的項目有足夠信心,確定是安全且負擔得起、最重要是能符合經濟效益時,就可以開始著手進行了。

結語
位於全歐洲最大核子設施廠址內的Magnox與Thorp再處理廠,運轉的這些年來遵守NDA的規定,廠內所有設施的營運均被要求要在最高安全標準、對人體與環境均健康的狀態下運轉,各廠內的工作人員亦需盡最大所能降低各種風險。相信未來在停役後,也能確實執行除役作業,確保各核子設施與廠房在拆除後沒有遺留任何放射性物質,復原其最原始的面貌。

資料來源:
1. World Nuclear Association, “Processingof Used Nuclear”, Updated November2015
2. Sellafield Ltd, NDA, Nuclear ManagementPartners, “Sellafield Plan”, August 2011
3. Dounreay Site Restoration Ltd, “ResearchReactor Fuel Reprocessing Plant”
4. GOV.UK, “Managing Nuclear Materials andSpent Fuels”, April 2015
5. M a r t i n F o r w o o d , “ T h e L e g a c y o fReprocessing in the United Kingdom”,July 2008
6. 原子能委員會, “國外用過核子燃料再處理設施簡介”
7. 行政院所屬各機關因公出國人員出國報告書, “參加「第15屆台英經貿諮商會議」”, August 2010
8. 科技部駐英國台北代表處科技組, “英國新核能科技”, Updated August 2015
9. Youtube, Sellafieldsites, “Thorp”,February 2009
6 龍門核電廠建廠管制報導 7 英國用過核燃料再處理設施 現況 8 參加兩岸放射性廢棄物地質 處置技術研討會與考察甘肅 北山場址
Last modified:2016-04-23 16:04:50 by nicenter Powered by TadBook2
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