核燃料循環(huán)中的重水堆戰(zhàn)略

　　《中國(guó)能源中長(zhǎng)期2030、2050發(fā)展戰(zhàn)略》電力-油氣-核能-環(huán)境卷明確提出，“我國(guó)應(yīng)爭(zhēng)取2025年開始實(shí)施由開式循環(huán)向閉式循環(huán)發(fā)展，并進(jìn)一步向快堆增殖核燃料的增殖循環(huán)發(fā)展，爭(zhēng)取2035年前后，開始實(shí)現(xiàn)快堆增殖循環(huán)的閉合，2040年前后初步具備能增殖核燃料的快堆增殖系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。”

　　閉式燃料循環(huán)是我國(guó)核電可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。但從現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，我國(guó)的閉式燃料循環(huán)技術(shù)路線尚未全部打通，后處理中試廠已經(jīng)建成但尚未形成生產(chǎn)能力，小型MOX燃料生產(chǎn)試驗(yàn)線尚在建設(shè)當(dāng)中;主要選用鈾-钚循環(huán)以及钚的循環(huán)利用，對(duì)占乏燃料94%左右的回收鈾的再利用未加任何考慮;缺乏國(guó)家層面上的具體實(shí)施規(guī)劃和投入，同時(shí)，快堆技術(shù)路線還未最終選定，上述路線圖在執(zhí)行上存在很大的不確定性。

　　熱堆的安全和規(guī)模是我國(guó)核電發(fā)展“三步走”的基礎(chǔ)。當(dāng)前正值熱堆規(guī)模發(fā)展階段，且熱堆發(fā)電資源消耗較大。要保障鈾資源供應(yīng)安全，除堅(jiān)持開發(fā)國(guó)際國(guó)內(nèi)兩種資源、兩個(gè)市場(chǎng)以外，還應(yīng)考慮熱堆的鈾資源利用率提升以及開發(fā)備用核能資源。根據(jù)國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，回收鈾可在熱堆上再利用，性能與低濃鈾相當(dāng)，能有效提高熱堆鈾資源利用率。而且，我國(guó)有豐富的釷資源儲(chǔ)量，其利用潛力巨大，是一種重要的潛在核能資源。

　　作為一種成熟的商業(yè)堆型，重水堆在回收鈾和釷資源利用方面具有較大的潛力和優(yōu)勢(shì)，可以在燃料循環(huán)中發(fā)揮重要作用。目前，我國(guó)欠缺回收鈾再利用和釷資源核能利用相關(guān)的工程技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可以利用重水堆作一些有益的探索與研究。

　　“回收”與“降耗”

　　人工核素的存在以及鈾組分變化等因素的影響，增加了回收鈾在利用上的難度。一般來(lái)說(shuō)，回收鈾在壓水堆上的再利用，一般需要與濃縮鈾混合簡(jiǎn)稱“高混”或者再濃縮。高混對(duì)節(jié)省鈾資源意義不大，不適合在我國(guó)實(shí)行;再濃縮導(dǎo)致其放射性水平較高，輻射防護(hù)要求較高，制造工藝比較復(fù)雜，成本明顯高于天然鈾燃料。

　　與之相比，重水堆利用回收鈾的效率則較高。據(jù)估計(jì)，壓水堆利用回收鈾可以將效率提高10%到12%，而重水利用回收鈾可以將鈾資源利用率提高20%以上。同時(shí)，重水堆利用回收鈾的經(jīng)濟(jì)性預(yù)期好于使用天然鈾燃料。因此，重水堆是目前唯一經(jīng)濟(jì)有效利用回收鈾的途徑。

　　目前，重水堆利用回收鈾有兩種方式：一種是與少量的貧鈾低混到其核特性與天然鈾等效，稱為NUE;另外一種是直接使用，其性能相當(dāng)于稍濃鈾。據(jù)研究，NUE燃料適合在現(xiàn)有運(yùn)行重水堆上使用，無(wú)需對(duì)堆芯系統(tǒng)作任何修改;直接利用回收鈾燃料有助于提升重水堆的安全性能，但需要對(duì)反應(yīng)堆系統(tǒng)作少量修改。

　　另外，對(duì)于釷資源利用發(fā)而言，重水堆容易利用釷作為燃料，同時(shí)也是最為可能實(shí)現(xiàn)自持循環(huán)的熱堆堆型。2008年，在國(guó)家能源局主持召開的釷資源核能利用專家咨詢會(huì)上，部分與會(huì)專家建議用重水堆作為我國(guó)釷資源核能利用技術(shù)研究的突破口。為此，2009年，秦山三期聯(lián)合國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)和研究單位開展相關(guān)初步可行性研究。研究結(jié)果顯示增強(qiáng)型CANDU 6重水堆上使用以富集度為1.6%的低濃鈾為驅(qū)動(dòng)的釷燃料，技術(shù)可行，堆芯系統(tǒng)改動(dòng)較小，安全性將更高，經(jīng)濟(jì)性預(yù)期良好。據(jù)估計(jì)，其每年消耗約17噸二氧化釷，比使用天然鈾的增強(qiáng)型CANDU 6重水堆相比可再節(jié)省約15%的鈾資源。

　　研發(fā)“三步走”

　　綜合我國(guó)在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)現(xiàn)狀、工業(yè)基礎(chǔ)以及國(guó)際上目前尚無(wú)釷堆運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)情況，因此，要實(shí)現(xiàn)重水堆利用回收鈾和釷資源開發(fā)，可以采取“三步走”計(jì)劃：

　　第一步，以最小的代價(jià)為秦山三期運(yùn)行重水堆開發(fā)一種替換天然鈾的NUE型回收鈾燃料。該步分為NUE燃料入堆輻照試驗(yàn)和全堆應(yīng)用兩個(gè)階段。完成后，兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行發(fā)電每年將消耗150噸鈾235含量為0.858%的回收鈾，而不再消耗天然鈾資源。

　　2009年底，試驗(yàn)獲得國(guó)家核安全局的批準(zhǔn)。2010年初，中核北方核燃料元件有限公司在現(xiàn)有重水堆燃料元件生產(chǎn)線上制造出26只合格的NUE燃料棒束，其中24只被裝入秦山三期1號(hào)機(jī)組輻照考驗(yàn)，2011年全部卸出堆芯，2012年完成比對(duì)檢查。試驗(yàn)證實(shí)兩種燃料運(yùn)行性能相同。目前，NUE全堆應(yīng)用已于2011年全面啟動(dòng)，現(xiàn)已完成相關(guān)安全論證和輻照后檢查元件的運(yùn)輸，生產(chǎn)線適應(yīng)性改造、輻照后的熱室檢查以及回收鈾采購(gòu)已在進(jìn)行中，稍后將啟動(dòng)全堆應(yīng)用的安全取證。按計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2014年，秦山三期兩臺(tái)重水堆發(fā)電可以使用NUE燃料。

　　第二步，面向大型后處理廠的回收鈾產(chǎn)品利用，開發(fā)直接利用回收鈾技術(shù)，進(jìn)一步提高重水堆對(duì)回收鈾的利用效率，同時(shí)降低30%的乏燃料產(chǎn)生量。

　　基于現(xiàn)有的重水堆技術(shù)以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，開發(fā)一個(gè)成熟先進(jìn)的，能夠綜合利用回收鈾以及釷資源的反應(yīng)堆平臺(tái)，并能在同一堆芯平臺(tái)上使用回收鈾直接利用和低濃鈾/釷兩種燃料。這種堆型稱為先進(jìn)燃料重水堆，目前已進(jìn)入概念設(shè)計(jì)階段。它基于成熟的增強(qiáng)型CANDU 6技術(shù)，整合了最新核監(jiān)管要求以及福島事故后的整改要求，安全上達(dá)到了三代標(biāo)準(zhǔn)，概念設(shè)計(jì)計(jì)劃于2014年初完成。

　　第三步，開發(fā)先進(jìn)燃料重水堆實(shí)現(xiàn)釷資源核能利用的工程示范。在首臺(tái)先進(jìn)燃料重水堆機(jī)組建成投產(chǎn)以后，進(jìn)行低濃鈾/釷燃料輻照考驗(yàn)，在獲得足夠的鑒定和考驗(yàn)數(shù)據(jù)以后，即可實(shí)施。

　　重水堆的“新”定位

　　在中國(guó)核電發(fā)展的不同階段中，重水堆均可在其燃料循環(huán)體系中扮演一個(gè)重要的角色。

　　在熱堆發(fā)展階段，可以建立壓水堆-重水堆聯(lián)合燃料循環(huán)。在該聯(lián)合燃料循環(huán)中，壓水堆以濃縮天然鈾作為燃料，重水堆則采用壓水堆的回收鈾作為燃料。據(jù)測(cè)算，每4臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)的壓水堆足以為1臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)的重水堆供應(yīng)回收鈾原料，總體鈾資源利用率將提高20%。

　　在快堆發(fā)展階段，可以通過(guò)重水堆或者壓水堆利用釷作為燃料來(lái)適當(dāng)延長(zhǎng)熱堆的壽命。

　　在聚變堆發(fā)展階段，重水堆可以為其發(fā)展提供燃料——氚。

　　由此，圍繞我國(guó)的閉式燃料循環(huán)體系，可以根據(jù)不同階段采取不同的方案。

　　第一個(gè)階段，完成試驗(yàn)或中試體系的建立和運(yùn)作，積累技術(shù)基礎(chǔ)，為試驗(yàn)快堆供應(yīng)MOX燃料，同時(shí)，開發(fā)等效天然鈾技術(shù)，將中試廠的產(chǎn)品用于秦山三核兩臺(tái)運(yùn)行重水堆上，促進(jìn)國(guó)內(nèi)的后處理技術(shù)的發(fā)展和完善。

　　第二階段，建立商用規(guī)模的閉式燃料循環(huán)體系，讓燃料循環(huán)起來(lái)。繼續(xù)發(fā)展壓水堆這條主線，同時(shí)建設(shè)大型后處理廠、MOX燃料生產(chǎn)線，適當(dāng)建造少量利用钚作為燃料的快堆，建造與后處理廠產(chǎn)能匹配的先進(jìn)燃料重水堆將回收鈾利用起來(lái)。同時(shí)，開發(fā)釷資源核能利用的工程技術(shù)，對(duì)釷燃料進(jìn)行鑒定或者輻照考驗(yàn)，建造首座示范釷燃料重水堆以及開展以快堆為核心的先進(jìn)核燃料循環(huán)體系的技術(shù)研究。

　　第三階段，建立先進(jìn)核燃料循環(huán)體系，實(shí)現(xiàn)核燃料增殖，同時(shí)，根據(jù)需要推廣熱堆重水堆、壓水堆或者高溫氣冷堆利用釷燃料的技術(shù)。

　　重水堆在回收鈾再利用和釷資源核能利用方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)和較大的潛力，可以解決我國(guó)核燃料循環(huán)發(fā)展中的一些問(wèn)題，為我國(guó)閉式燃料循環(huán)體系提供重要補(bǔ)充。目前，秦山三期聯(lián)合國(guó)內(nèi)外研究和生產(chǎn)單位已進(jìn)行相關(guān)工程應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，近期即可見成效。

來(lái)源：中國(guó)核工業(yè)報(bào) 　

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