2019年03月12日 加拿大乾式貯存設施

2019年03月12日 加拿大乾式貯存設施

加拿大現有 4 座核電廠、19 個商用反應爐及 2 個研究用反應爐在運轉中,另有皮克靈(Pickering)A 核電廠 1、2號機處於安全貯存的除役狀態,堅特利(Gentilly)2 號核電廠則已決定除役,並處於永久停機到反應爐安全貯存的過渡階段。2016 年,核能供應了全加拿大 15%的電力,水力占 59%為最大宗,其他再生能源占 7%,燃煤只占 9%,安大略省已於 2014 年起逐漸淘汰燃煤發電。2002 年由加拿大電力公司與加拿大原子 能公司共同成立的加拿大放射性廢棄物管 理機構(Nuclear Waste Management Organization, NWMO),主要職責為開 發各種貯存及處置可行方案,並提供給政 府做決定,以利後續處置作業。

當用過核燃料束從反應爐中取出時,需 放置在裝滿水的冷卻池中,等待它們的溫度和放射性降低。至 7 到 10 年後,再將 這些用過燃料束放入乾式貯存容器、貯存窖或貯存倉中,等待再處理或最終處置。乾式貯存已經是一項經過驗證的技術,自20 世紀 80 年代以來,一直在全球 23 個國家廣泛的使用。加拿大所使用的是特有的 CANDU 型反應爐與核燃料,用過核燃料目前均暫貯於核電廠用過燃料冷卻池與乾式貯存設施中。截至 2017 年 6 月 30 日,加拿大有約280 萬束用過核燃料束的庫存,這些用過核燃料如果堆疊起來,大約需 8 個曲棍球場可以容納。在加拿大現有反應爐運轉期限到期時,用過核燃料束總量預計約會有520 萬束。

加拿大所有的用過核燃料都放在領有許可執照、安全管理的貯存設施內,有嚴格的安全防護措施,確保所貯存的用過燃料束不會造成公眾健康的威脅。用過核燃料的貯存是由廢料產生者—公用事業公司(即電力公司)與實驗室進行嚴密的監控,而安全管制與發照作業則由加拿大核子安全委員會(The Canadian Nuclear Safety Commission, CNSC)負 責,並與國際原子能總署(IAEA)直接合作。

加拿大安大略電力公司(Ontario Power Generation) 在 1979 年曾對所屬核電廠用過核燃料貯存進行研究評估,當時提出廠內貯存與集中貯存兩種方案。該研究結果建議安大略電力公司採用廠內貯存策略,直到政府做出再處理或是直接處置的決定。研究結論認為電廠內有足夠空間,使用的冷卻水池可貯存至 2025 年。目前加拿大用過核燃料乾式貯存所使用的裝載容器有 3 種基本設計:

  • 加拿大原子能公司(AECL)混凝土罐
  • 加拿大原子能公司的模組化氣冷式貯存系統(MACSTOR™)
  • 安大略電力公司的乾式貯存容器

2016 年加拿大電力來源占比圖(來源:CNA)

NWMO 表示,乾式貯存容器設計壽命的最低限值為 50 年,它們受到積極、嚴格的監控。研究顯示,經過長期持續的維護和檢查,這些容器可以安全使用更長的時間。50 年之後,還可以延長容器的使用壽命,或者可以再重新包裝用過核燃料。這些決定取決於許多因素,包括實施適應性階段管理(Adaptive PhasedManagement)的時間表。

加拿大的用過核燃料中期貯存設施分別位於安大略省、魁北克省和新布藍茲維克省的核子設施內,及加拿大原子能公司位於曼尼托巴省和安大略省喬克河(Chalk River)核子實驗室的場地(詳見表 1)。80 年代初期,加拿大有一項用過核燃料延長貯存(Extended storage)數百年的研究,研究結論是採用地上混凝土容器貯存方式最具靈活性,能符合延長貯 存的發展需求。這些研究促使安大略電力 公司發展出乾式貯存容器(Dry Storage Containers, DSC)。目前乾式貯存容器 已使用在皮克靈核電廠、布魯斯(Bruce) 核電廠和達靈頓(Darlington)核電廠。 1995 年皮克靈核電廠第一階段乾式貯 存開始運作,可容納 700 個 DSC 容量, 2007 年第二階段再增加 800 個 DSC 容 量。

表1. 加拿大的乾式貯存設施

資料來源:原子能委員會www.aec.gov.tw/webpage/dry/files/index_03_8-01.pdf

圖2. 加拿大乾式貯存設施位置圖( 來源:NWMO)

加拿大放射性廢棄物處置設施與鈾礦分布圖(來源:CNSC)

 

乾式貯存場將可容納皮克靈核電廠所 有用過核燃料,直至最終處置。 布魯斯核電廠的乾貯設施可容納該廠 所有用過核燃料,已 於 2002 年運轉, 而皮克靈頓核電廠的乾貯設施於 2008 年運轉。此外,加拿大原子能公司發展 兩種乾式貯存的概念:模組化乾式貯存窖(CANSTOR) 與混凝土護箱。 這些概念都使用在魁北克水力(Quebec Hydro)電力公司和新布藍茲維克(New Brunswick)電力公司的廠內貯存。

加拿大原子能公司在喬克河實驗室也有一座集中式乾式貯存設施,用以貯存早期反應爐(NRX、NRU)用過核燃料。2007 年加拿大政府同意「適應性階段性管理」,以深地層最終處置做為用過核燃料解決方案,NWMO 於 2010 年 5 月開始進行最終處置場的選址工作,2012-2018 年進行可行性研究 ( 包含區域研究、詳細場址評估及候選場址社會民眾接受度 ),2018 年啟動管制單位審查程序,其最終處置場預計於 2035 年正式營運。加拿大決定採取深層地質處置方案之前,曾對長期貯存的兩種貯存方案特點分析如下:

一、核電廠內延長貯存方案

NWMO 規劃在現有 5 處核電廠址及2 處研究機構的 7 處貯存場址,開發新的貯存設施及場址內處理與運輸設備等。設施的位置可以放在地表或近地表,貯存方式可以採用貯存護箱(casks)、貯存窖(vaults)、貯存倉(silos)等不同的型式。

  1. 貯存護箱:貯存護箱是由混凝土與不銹鋼製造的耐久性可移動式貯存容器,是安大略電力公司所研發的乾式貯存容器,可填裝 4 個不銹鋼燃料模組,分別可存放 96 束 CANDU 型用過核燃料。貯存護箱滿載後總重量約 70 公噸,貯存護箱具有良好的屏蔽與導熱效果,貯存場將建造適當容量的廠房或混凝土壕溝,以便貯存護箱能妥善的排列存放。
  1. 貯存窖:貯存窖型式與目前在魁北克堅特利水力(Hydro Québec's Gentilly)公司乾貯設施所使用的相似,也是混凝土結構物。混凝土結構可提供抗輻射的屏蔽效果,並利用空氣自然循環的方式進行用過核燃料的冷卻。用過核燃料以每 60 束裝在一組不銹鋼燃料提籃(baskets)中,排列於貯存窖中進行長期貯存。
  1. 貯存倉:貯存倉設置於室外,為圓柱狀的混凝土加強結構物,以自然通風方式進行用過核燃料的冷卻。貯存倉內襯以環氧化物被覆的不銹鋼。可容納 9 組不銹鋼燃料提籃,每組有 60 束用過核燃料。這類型貯存倉與加拿大原子能公司目前所使用的類似。

圖4. 安大略電力公司研發的乾式貯存容器(來源:CNSC)

圖5. 加拿大乾式貯存傳送護箱(來源:CNSC)

圖6. 安大略電力公司乾式貯存設施(來源:CNSC)

圖7. 達靈頓核電廠乾貯設施(來源:CNSC)

圖8. 點樂波核電廠乾貯設施(來源:CNSC)

圖9. 懷特雪爾實驗室混凝土容器貯存設施(來源:CNSC)

二、集中式延長貯存方案

NWMO 對於新建集中式延長貯存的初步規劃,在現有 7 處貯存場址以外的地方,開發一處新的集中式貯存設施,及場址內處理廠房與場址外運輸設備等。集中式延長貯存設施牽涉到新設施的選址,以及用過核燃料運輸的問題,其優點為可將加拿大全國的用過核燃料集中管理。集中式延長貯存設施可容納加拿大全國約 360 萬束的用過核燃料,每年約可處理 12 萬束。集中式延長貯存設施的設計功能包括:

  • 提供用過核燃料安全的防護環境。
  • 對貯存的用過核燃料,進行監測與稽核。
  • 有利於用過核燃料進行存放或回收的操作作業。
  • 提供冷卻作用,避免用過核燃料或貯存系統溫度過高。
  • 提供適當的輻射屏蔽,避免對作業人員或公眾造成危害。

根據 2014 年發表的「加拿大用過核燃料安全處置與管理國家報告」,在乾式貯存環境下,用過核燃料組件無論完整還是有破損,都可貯存長達 100 年,或是更長的時間,而不會失去輻射防護的完整性。

長期以來在乾式貯存設施中所獲得的經驗,加拿大對乾式貯存設施能安全運轉充滿信心,不會對工作人員和公眾帶來不必要的風險。自 1996 年以來,乾式貯存容器已在皮克靈核電廠廢棄物管理設施(PWMF)成功且安全地使用,安全性能在貯存期間都很優異,輻射劑量率低於監管的限值,集體職業輻射曝露低於預期,甚至還少 30%以上,加工區的排放量也低於監管水平的限值。安大略電力公司擁有的 3 個乾式貯存設施均無輻射污染,貯存容器也沒有排放污水。為了設計和安全評估目的所進行的熱與屏蔽分析,在 PWMF 設施進行的分析與測量顯示,在乾式貯存中,用過核燃料外包層(cladding)的溫度不超過攝氏 175度。而中子劑量率計算的結果符合預期,與加馬射線產生的輻射劑量相比,中子產生的輻射劑量率低微到可忽略不計。結果顯示因乾式貯存容器中的強化高密度混凝土在輻射屏蔽上發揮了功用。

參考資料:

1.The Canadian Nuclear Factbook 2019, CNA

2.加拿大核能發電現況摘要報告,趙衛武,2014 年7 月 22 日

3.用過核子燃料長期乾式貯存政策可行性研究,核

能研究所,2010 年 11月

4.集中式放射性廢棄物貯存設施國際相關資訊,放

射性物料管理局,105 年 3 月 22 日

5.NWMO, What Is Used Nuclear Fuel, 2016

6.Canadian National Repor t for the Joint Convention on the Safety o f Spent

Fuel Management and on the Safety of Radioactive Waste Management, Canadian

Nuclear Safety Commission (CNSC) ,2014.10

圖10. 安大略電力公司皮克靈核電廠PWMF 乾貯設施(來源:CNSC)

圖11. 堅特利2 號核電廠乾貯設施,加拿大原子能公司研發的模組化乾式貯存窖(來源:CNSC)

核能簡訊176期(雙月刊)