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111年6月 德國用過核子燃料乾式貯存設施介紹
到目前為止,德國尚未設置可運轉、獲得許可的用過核子燃料最終處置場。因此,在用過核子燃料運往最終處置場之前,將在特殊的中期貯存設施中貯存一段時間。中期貯存可以讓放射性廢棄物中的輻射熱衰變,即殘餘的輻射強度和衰變熱逐漸降低。因此,可以簡化放射性物質的處理和除污,並且減少對貯存場體積的需求。
聯邦監管的用過核子燃料貯存
德國是歐洲地區擁有最多乾式貯存設施的國家,根據德國《原子能法》第 5 條,自 2016 年 7 月 30 日 起,聯邦放射性廢棄物安全管理辦公室(BfE)成為放射性廢棄物管理與處置的主管機關,負責監管相關設施運轉的安全。
用過核子燃料的貯存受到嚴格的安全要求,只有在根據德國《原子能法》第 6 條獲得貯存許可,或根據《原子能法》第 7條獲得許可的設施(例如核電廠)內才能貯存。為了保護民眾,如果沒有獲得此類許可執照,國家會負責保管這些材料。例如,如果在邊境管制處發現了應受防護的用過核子燃料,就可能發生這種情況。為了準備在緊急情況下做出反應,BfE在 Lubmin 附近的 Zwischenlager Nord中期貯存設施租用了貯存空間,可以貯存較少量的用過核子燃料。作為保護民眾的預防措施。
如果現有許可執照過期並且沒有其他合法貯存場地的選項,這種例外情形將由聯邦監管。如果是較大量的用過核子燃料,最初將在其先前獲得許可的貯存地點接收。聯邦核廢料管理安全辦公室將不得不採取一切措施,確保安全性是符合最先進的科學技術。BfE 是用過核子燃料安全處置的主管機關,一旦貯存設施獲得運轉許可後,則由各自所在地的聯邦州政府主管當局負責後續的監管工作。
BfE 在管理用過核子燃料的能力
當反應爐停機之後, 用過核子燃料即移出爐心至用過核子燃料池放置冷卻,大 約 5 年之後再轉移放入金屬容器(CASTOR),之後移出圍阻體轉運至乾式中期貯存設施,待最終處置設施完成後再轉移。德國乾式貯存設施採用集中式和分散式兩種類型:
一、集中式乾式貯存設施
在集中式乾式貯存設施內,貯存來自商用反應爐和研究用反應爐運轉期間所產生的用過核子燃料,以及從再處理廠送回的高放射性廢棄物。這些乾式貯存設施已在 2002 年之前即獲得許可並建造完成。德國的集中式乾式貯存設施有阿豪斯(Ahaus)、高爾本(Gorleben)和諾德(Nord)。貯存護箱 (Storage casks) 的運送通常需要使用大眾運輸的交通路線。
二、分散式乾式貯存設施
用過核子燃料在放入最終處置場之前,必須在乾式貯存設施內安全地貯存。根據成本原則,中期貯存設施需要由核電廠的擁有者建造並營運。多年來,德國核電廠在運轉期間內產生的用過核子燃料組件,已經在各核電廠內的分散式乾式貯存設施中貯存,放置於特殊設計、兼具運輸與貯存功能的金屬護箱中。與集中式中期貯存設施相反,這類貯存設施僅需要在運輸與貯存護箱運送到貯存場時,沿著廠區內的道路運送即可。
3 座集中式中期貯存設施—位於北萊茵—威斯特法倫州的阿豪斯和下薩克森州的高爾本,其鋼筋混凝土倉庫中存放了兩個集中式運輸貯存設施(TBL);位於梅克倫堡 – 前波莫瑞州的諾德中期貯存設施,是處理和貯存所有類型放射性廢棄物的設施。從法國 AREVA NC 再處理廠送回的高放射性玻璃固化的貯存許可僅核發給高爾本的 TBL,阿豪斯的 TBL 不僅貯存商用反應爐的燃料組件,還貯存來自研究用反應爐的用過核子燃料組件。德國聯邦政府規定,在 2005 年 6 月30 日之後禁止向法國和英國的再處理廠運送用過核子燃料組件。用過核子燃料組件應放在特殊的運輸與貯存容器(例如CASTOR 型)中,進行乾式貯存。
計畫中和建造完成的分散式中期貯存設施
早 在 1998 年 至 2000 年期間,核電廠營運商就已提出將用過核子燃料組件貯存在核電廠內中期貯存設施中的申請。2003 年底 BfE 核發貯存許可執照,經過大約 3 年的建造期,核電廠內中期貯存設施分別於 2006 與 2007 年開始運轉使用。從第一個貯存容器的安裝開始,核准可運轉的期限為 40 年,因為聯邦政府希望在 40 年之後能提供聯邦最終處置場目前暫時貯存在 Neckarwestheim核電廠內的用過核子燃料, 計畫於Obrigheim 中期貯存設施進行貯存,該設施已於 2016 年 8 月獲得相關許可執照。除了核電廠內中期貯存設施外,還有另一個中期貯存設施,即 Jülich 的 AVR 護箱貯存設施,其中貯存了 152 個裝有來自前 AVR 實驗反應爐燃料組件的貯存護箱。它已於 1993 年獲得許可,為期 20 年。
獲得許可的貯存容器與貯存地點
核電廠內中期貯存設施已獲得許可,可存放明訂數量的用過核子燃料組件(重金屬以噸計)和貯存地點。重金屬數量或貯存地點的許可最初取決於 2002 年與廢核政策一起規定的,最長32 年的運轉時間。由於 2011 年發生福島事故,德國政府提前關閉了 8 座核電廠,加上其他核電廠運轉時間減少後,BfE 許可的貯存設施容量可能不會用盡。德國對於用過核子燃料運輸兼貯存容器的許可期限為 40 年,只要能符合安全規範,就能延長此期限。在許可證到期之前,乾式貯存設施營運廠商必須及時向 BfE 提送延長許可申請。
德國用過核子燃料乾式貯存設施一覽表
資料來源：國際原子能總署 INFCIS（2022 年 4 月底）
用過核子燃料和高放廢棄物的管理與處置
GNS（Gesellschaft für Nuklear-Service mbH, GNS）公司的主要營業項目為協助管理德國核電廠營運及除役時所產生的放射性廢棄物，創立於 1974 年，總部位於德國杜塞爾多夫行政區的埃森市，是由德國 4 家電力公司 Preussen Elektra、RWE、EnBW 及VATTENFALL 合資成立。GNS 公司是全球放射性廢棄物容器的主要供應商之一，此外，GNS 公司也在國際間提供與放射性廢棄物管理相關的顧問服務。
多年來 GNS 公司一直負責管理德國核電廠運轉產生的所有放射性廢棄物和用過核子燃料。其產品和服務包括中放射性廢棄物 (ILW) 和高放射性廢棄物 (HLW) 貯存容器的設計和製造、廢棄物處理與包裝設備的建造，以及中期貯存設施的管理和運轉。
GNS 公司的業務涵蓋用過核子燃料容器的整個生命週期，因為它不僅是容器的設計者和製造者，還負責核電廠內容器的裝載、運輸和貯存。在主要由 GNS 公司自己的員工進行的數百次裝載過程中，獲得的操作經驗產生出一種貯存護箱的設計概念，這項設計提供客戶容易處理並保證在反應爐內能有最短的整備時間。GNS 憑藉其 40 年的專業經驗，供應全球用過核子燃料、低 / 中放射性廢棄物和高放射性廢棄物貯存容器，GNS 還提供用過核子燃料和所有類型放射性廢棄物的管理與處置服務。現今，四大洲的許多國家都在使用低放射性廢棄物貯存護箱，這使得 GNS 成為世界級具輻射屏蔽功能的運輸與貯存兩用護箱供應商。
GNS 提供的處理設施的設計與供應以及各種工程協助使其產品組合趨於完整，此外，他們也為除役的所有階段提供全面的解決方案，從反應爐內燃料排列放置到大型組件，如反應爐壓力容器及其內部設備的拆卸和包裝。GNS 公司原先負責營運德國境內兩座集中式貯存設施阿豪斯及高爾本，直到 2017年 8 月，GNS 與德國聯邦環境、自然保育與核能安全部（Bundesministerium für Umwelt,Naturschutz und Reaktorsicherheit, BMU）合資成立 BGZ 公司，並將兩座集中式貯存設施的所有權轉移給 BGZ 公司；目前 GNS 公司主要據點，除埃森市的總部企業外，還包括位於米爾海姆（Mülheim）的容器組裝工廠、位於杜伊斯 堡（Duisburg）的廢棄物處理中心及地處於利希（Jülich）的廢棄物處理與研發中心。目前 GNS 集團旗下公司擁有 800 多名員工，營業額約為 2.5 億歐元。
用過核子燃料和高放廢棄物貯存護箱
GNS 以 30 多年的兩用貯存容器營運經驗，根據客戶需求，為用過核子燃料開發了兩種不同的貯存容器類型—CASTOR® 和 CONSTOR®。雖 然 CASTOR ® 類型針對高熱負荷進行了優化，允許用過核子燃料在極短的冷卻時間進行裝載，但CONSTOR® 類型針對大量已冷卻的用過核子燃料貯存進行了成本的優化與效益的提昇。
阿豪斯東半部貯存倉庫裝有CASTOR® 護箱（圖片來源：GNS）
作為同行解決方案中的第一個，GNS開發出一種快捷系統（quiver-system）來容納特殊或損壞的燃料棒，這些燃料棒通常留在燃料池中，直到核電廠最終關閉。quiver 容器可安裝在標準用過核子燃料筒的籃子中，因此可以使用相同類型的運輸與貯存兩用護箱，從燃料池中取出所有用過核子燃料。目前全球有超過 1,900 個 GNS 的貯存護箱在運轉中，大 約 100 多個貯存容器已準備好在客戶的核電廠內裝載，另外有200 多個貯存容器已訂購或正在生產中。
僅在德國，就有超過 1,000 個 CASTOR®護箱被貯存，每個貯存期長達 30 年。加上在德國廢核政策的最後幾年必須製造、裝載和貯存的額外貯存容器數量，GNS將有 2,000 個貯存容器在全球運轉。德國法律規定使用金屬護箱形式的乾貯護箱，每個重約 120 噸，廠房內設置吊車，以將貯存桶吊運至定位。在所有德國核電廠中，GNS 都安排有自己的裝載小組，負責裝載用過核子燃料組件的 CASTOR® 護箱，並為隨後的中期貯存做準備。到目前為止，德國核電廠已經裝載了 1,000 多個貯存容器。這甚至可能包括將貯存在池中的損壞燃料棒包裝到集中的 quiver 系統 GNSIQ® 中。由 GNS 開發的該系統允許對關閉的電廠進行燃料移除，進而開始除役。
長期裝載計畫
GNS 團隊部署的裝載時間表最多提前3 年確定。通常，在實際裝卸貯存容器前8 個月，計畫管理團隊便開始工作，除了調度和成本計畫與控制外，還負責與客戶、管制機構、專家等所有相關單位的協調。計畫管理部門還提供燃料組件貯存能力的證明，以及提交裝載文件的彙整、審查和調整。
行動持續的時間
裝載行動通常持續兩到三個月，GNS團隊在行動期間的任務包括：貯存容器的密封、乾燥、水分測量和貯存容器空腔填充、監控貯存容器的處理和發送，以確保符合相關貯存容器的特定文件，這包括：準備測量和檢查記錄以及裝載文件的準備和檢查。由於德國核電廠的加速關閉，現在有越來越多的裝載行動，持續的時間可能長達兩年。
GNS 擁有自己的裝載團隊，提供相關的服務。在國外，裝載通常由核電廠的員工進行。GNS 還提供電廠人員的必要培訓。集中式的乾式中期貯存設施多年來，GNS 在阿豪斯和高爾本擁有和營運用過核子燃料、高放射性廢棄物，以及集中式中期貯存設施。在德國核廢料管理職責重組過程中，2017 年 8月 GNS 將這兩個設施移交給了國家。中期貯存設施由專門為此目的成立的 BGZ Gesellschaft für Zwischenlagerung mbH 進行組織和技術管理。
GNS 繼續為中期貯存設施提供全面的工程和計畫：
• 設計、許可、整體計畫管理和營運
• 最先進的設計、安全的分析和輻射防護方法
• 得到電力公司和管制機構的認可和核准
此外，GNS 還提供用於運輸和貯存的貯存容器和設備。
阿豪斯中期貯存設施
從 1990 年 到 2017 年年中，GNS 擁有並營運用於用過核子燃料組件和中、低放射性廢棄物的阿豪斯中期貯存設施(TBL-A)。這座中期貯存設施位於德國明斯特蘭西部的阿豪斯小鎮境內，距離市中心以東約3 公 里。貯存設施建於 1984 年 至 1990年間。貯存倉庫分為兩部分，由接待區和維修區隔開。該設施占地面積約 5,000 平方公尺，提供 420 個用過核子燃料運輸與貯存容器的貯存位置。自 2010 年起，德國核電廠運轉和除役產生的中低放廢棄物暫存於西半部倉庫。
阿豪斯集中式乾式貯存設施（圖片來源：GNS）
高爾本中期貯存設施
從 1990 年 到 2017 年年中，GNS 是 高爾本中期貯存設施的所有者和營運商。這座設施位於德國高爾本市以南約2公里處，設有運輸護箱貯存區 (TBL-G)、放射性廢棄物貯存區 (ALG) 和測試設備 (PKA)。
TBL-G 運輸護箱貯存區
占地面積約 5,000 平方公尺，TBL-G提供 420 個貯存位置，可安裝用過核子燃料和高放射性廢棄物的運輸與貯存護箱。自 1995 年以來，德國核電廠的用過核子燃料組件已被貯存在 5 個貯存護箱中。此外，德國的用過核子燃料曾經送到法國進行再處理，再處理之後的玻璃固化高放射性廢棄物，從 1996 年起分 12 批陸續從法國運回，送到 TBL-G 貯存，最後一次是在2011 年；總共有 108 個貯存護箱，每個貯存護箱包含了 28 個貯存罐。
ALG 放射性廢棄物貯存區
自 1984 年以來，ALG 一直用於暫時貯存包裝過的低放和中放放射性廢棄物，主要來自德國核電廠的運轉，也有來自研究和工業用途所產生的廢棄物。6 個儲藏室的容量為 4,500 平方公尺。
PKA 測試設備
在 PKA 中，對用於直接最終處置的用過核子燃料組件的處理和包裝程序進行測試。然而，由於是技術性設施，規劃為多用途設施的 PKA 還可以執行其他工作，例如對所有類型的運輸與貯存護箱進行維護和檢查。
北部中期貯存設施
位於Ostvorpommern（MecklenburgVorpommern 聯邦州）農村地區的 Rubenow社區的北部中期貯存設施（ZLN），是一座處理和貯存所有類型放射性廢棄物的設施。它緊鄰已除役的 Greifswald 核電廠，負責營運的是Entsorgungswerk für Nuklearanlagen GmbH的子公司 Zwischenlager Nord GmbH。
兼具運輸與貯存功能的容器（圖片來源：GNS）
左圖：TN-85 運輸與貯存護箱（圖片來源：Areva – TN International）；右圖： CASTOR®HAW28M 運輸與貯存護箱（圖片來源：BfS）
後者由聯邦 100% 擁有（由聯邦財政部代表），是最大的聯邦放射性廢棄物持有者。北部中期貯存設施建於 1994 年至 1997年間，用於放置在拆除前東德 Greifswald和 Rheinsberg 核電廠過程中產生的放射性廢棄物。它由 8 個用於貯存放射性廢棄物的倉儲空間組成，另一部分附有用於處理放射性廢棄物的處理設施。1 至 7 號倉庫用於處理極低放射性廢棄物，8 號倉庫則用於處理用過核子燃料。
1 號 至 7 號倉庫以及北部中期貯存設施的許可與監督機構是 MecklenburgVorpommern 州的內政與體育部，8 號倉庫的用過核子燃料貯存早先已獲得聯邦輻射防護辦公室 (BfS) 的許可。自 2016 年 7 月 30日起，BfE 已成為《原子能法》第 6 條的監管機構，在此之前一直是由 BfS 負責。
8 號倉庫的用過核子燃料貯存
BfS 於 1999 年 11 月 5 日核發的貯存許可執照有效期限是到 2039 年 10 月31 日。最初只允許貯存來自除役的東德Greifswald 和 Rheinsberg 核電廠的用過核子燃料。後來，經營者申請放置來自西德產生的放射性廢棄物。憑藉著 2009年 2 月 24 日 和 2010 年 4 月 30 日的改裝許可執照，因 應 ZLN Zwischenlager Nord GmbH 的要求，BfS 核准貯存卡爾斯魯厄（Karlsruhe）再處理廠的玻璃固化高放射性廢棄物罐，和前卡爾斯魯厄研究中心的燃料棒，以及來自 Otto Hahn研究船的燃料棒。身為主管許可機構，BfE 必須在申請人符合《原子能法》規定的所有先決條件後，核發貯存許可；測試的標準是儲存的安全性，而不是儲存材料的來源。
北部中期貯存設施 8 號倉庫其中的一個小空間，保留給聯邦負責保管的用過核子燃料，這是 BfE 的任務之一，為此他們在北部中期貯存設施租用了 3 個貯存護箱的空間，但到目前為止尚未使用，也沒有相關貯存用過核子燃料的具體計畫。
目前 GNS 公司主要據點，除埃森市的總部企業外，還包括位於杜伊斯堡（Duisburg）的廢棄物處理中心。( 圖片來源：GNS)
目前，共有 74 個裝有用過核子燃料的CASTOR® 護箱貯存在北部中期貯存設施的 8 號倉庫：
• 9 個裝有 Greifswald 核電廠（KKW）燃料組件的貯存護箱
• 6 個裝有 Rheinsberg 核電廠燃料組件的貯存護箱
• 4 個裝有來自 Karlsruhe 和 Otto Hahn研究船燃料棒的貯存護箱
• 5 個來自 Karlsruhe 再處理廠的 5 個貯存護箱
• 目前沒有進一步的貯存規劃。
根據 GNS 公司 2021 年 4 月 13 日發布的訊息表示，該公司繼 3 月份向日本原子力規制委員會（NRA）提交型式證書申請後，GNS 將密切配合日本的許可程序。為此，該公司於 2021 年初根據日本法律成立了子公司 GNS Japan KK，總部設在東京。
GNS 公司針對日本市場的需求開發了CASTOR® geo26JP 貯存護箱，此用過核子燃料護箱設計用於貯存和運輸多達26 個壓水式反應爐的燃料組件，這是日本最廣泛使用的壓水式燃料組件最大可用容量。它是以 CASTOR® geo cask 系列為基礎，可用於各種設計的壓水式和沸水式反應爐燃料組件，此系列曾在比利時和瑞士建立，滿足國際客戶對「高容量容器」的需求。
參考資料：
1. https://infcis.iaea.org/NFCIS/Facilities
2. https://www.bfe.bund.de/EN/nwm/interim-storage/introduction/introduction_node.html
3. https://www.gns.de/language=en/23340/hlw-spent-fuel
4. GNS Launches CASTOR® Cask for Japan, GNS SOCIETY FOR NUCLEAR SERVICE MBH, 04/13/2021
出處:核後端雙月刊第九期
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