摘要：从核裂变能可持续发展的角度,分析了各种核燃料循环方式的特点,指出了核燃料“一次通过”方式不符合核能可持续发展战略。为了充分利用铀资源并实现核废物的最少化,快堆燃料闭式循环是核裂变能可持续发展的根本出路。
关键词：核裂变能；热堆燃料循环；快堆燃料循环；可持续发展
1核燃料循环是先进核能系统的重要组成部分
1.1核燃料“一次通过”方式不符合核能可持续发展战略
核燃料循环(本文指铀燃料循环)指从铀矿开采到核废物最终处置的一系列工业生产过程。核燃料在反应堆中使用之前的工业过程,称为核燃料循环前段;核燃料从反应堆卸出后的各种处理过程,称为核燃料循环后段。如果将后处理回收的核燃料在热中子堆(热堆)或在快中子堆(快堆)中循环,称为“闭式燃料”循环。如果乏燃料不进行后处理而直接处置,则称为“一次通过”循环。
应该说,“一次通过”循环是最简单的核燃料循环方案。但该方案存在如下问题:①铀资源问题。根据最新公布的数据,地球上已知常规铀资源(开采成本低于130美元/kg)的铀储量为4.59×106t。按目前全世界核电站的燃料使用规模((6～7)×104t/a),这些铀资源仅能使用60～70a。当然,随着勘探技术的改进,今后有可能发现更多的经济可开采的铀资源,但其总量毕竟有限。“一次通过”循环方式的铀资源利用率低于1%,而作为废物处置的乏燃料中仅有3%～4%为高放废物(裂变产物(FP)及次锕系核素(MA)),96%～97%为可利用的U和Pu,将乏燃料中大量的资源与少量的废物一起直接处置,将不仅大大增加废物处置体积,还将浪费宝贵资源。②环境安全问题。由于乏燃料中包含了所有的放射性核素,要在处置过程中衰变到低于天然铀矿的放射性水平,需要10万年以上。所以,“一次通过”方式对环境安全的长期威胁极大,不符合核能可持续发展战略。
1.2先进核燃料循环是实现核能可持续发展的必要条件
核能可持续发展必须解决两大主要问题,即铀资源利用的最优化和核废物的最少化。目前国际上已达到商用水平的热堆燃料循环可部分地实现分离Pu和U的再循环,从而适度地提高铀资源的利用率和减少核废物体积。从上世纪90年代开始研究开发的“先进核燃料循环”体系是对现有核能生产及其燃料循环体系的进一步发展,是现有的热堆燃料循环与将来的快堆或加速器驱动的次临界系统(Accelerator-DrivenSystem,ADS)燃料循环的结合。随着快堆和ADS燃料循环的逐步引入,今后的先进后处理技术将能够处理热堆和快堆-ADS乏燃料,实现U,Pu和MA的闭式循环,从而在充分利用铀资源的同时,实现核废物体积和毒性的最少化。
2闭式燃料循环是核能可持续发展的保证
2.1核燃料循环概念
核能系统的核燃料循环(本文指铀/钚燃料循环)指从铀矿开采到核废物最终处置的一系列工业生产过程,它以反应堆为界分为前、后两段。核燃料在反应堆中使用之前的工业过程,称为核燃料循环前段,它包括铀矿勘查开采、矿石加工冶炼、铀浓缩和燃料组件加工制造;核燃料从反应堆卸出后的各种处理过程,称为核燃料循环后段,它包括乏燃料中间储存、乏燃料后处理、回收燃料(Pu和U)再循环、放射性废物处理与最终处置。回收燃料可以在热中子堆(热堆)中循环,也可以在快中子堆(快堆)中循环,统称核燃料闭式循环。如果乏燃料不进行后处理而直接处置,则称为一次通过循环。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆众所周知,热堆核燃料一次通过循环的铀资源利用率低于1%;热堆核燃料闭合循环可使铀资源的利用率提高02~03倍;快堆核燃料闭合循环可使铀资源的利用率提高50~60倍甚至更多。目前,国际上对于采用核燃料闭合循环还是一次通过循环尚无共识。尽管按照目前的铀价和估计的铀资源,一次通过循环的经济性略优于闭合循环,但从可持续发展的角度出发,为了充分利用铀资源和减少核废物体积及其毒性,核燃料闭合循环(或循环经济)是必由之路。
2.2闭式快堆燃料循环是我国核能可持续发展的根本出路
①闭式快堆燃料循环可以实现铀资源利用的最优化如前所述,核燃料在热堆中“一次通过”,铀资源的利用率不到1%;闭式热堆燃料循环仅能使铀资源的利用率提高0.2～0.3倍;而采用闭式快堆循环,一般认为可使铀资源的利用率提高50～60倍[7,11-14]。由此可见,只有发展快堆及其燃料循环系统,才能充分利用铀资源,实现核能的大规模可持续发展。②闭式快堆核燃料循环可以实现核废物的最少化在快中子谱条件下(包括快中子临界堆和次临界堆),所有锕系核素都具有一定程度的裂变性能。所以,快堆不仅可以焚烧Pu的各种同位素,而且可以嬗变MA。LLFP的嬗变依赖于热中子俘获反应,在快堆包裹层中建立热中子区即可实现LLFP(如99Tc和129I)的嬗变。由此可见,通过闭式快堆核燃料循环(包括分离-嬗变),不仅可以充分利用铀资源,实现铀资源利用的最优化,还能大大减少高放废物的体积及其放射性毒性,实现高放废物的最少化。
3国内外核燃料循环后段技术现状与发展趋势
3.1后处理技术研究
核燃料后处理分离体系极为复杂,操作的放射性水平极高,因而技术操作难度极大。乏燃料后处理Purex流程起初是为生产核武器用钚而发展起来的。后来,国际上动力堆乏燃料的后处理仍然采用Purex流程,只是随着燃耗的提高,动力堆乏燃料后处理的技术难度更高。为适应未来的要求,后处理厂将具有更高的可靠性、安全性和经济性。为此,对后处理工艺、设备、控制等的研究开发工作仍在进行。除了对以U、Pu分离为基础的常规后处理Purex流程进行改进(如简化流程、采用无盐试剂等)之外,考虑到MA和LLFP的分离-嬗变,近年来国际上提出了先进后处理概念。先进后处理概念可以通过两种方案得以实现,即全分离方案和后处理-高放废液分离方案。
3.2快堆燃料循环技术研究
实现以快堆为龙头的闭合燃料循环的商用化,是大规模可持续发展核裂变能的关键。预计再经过约20~30年的努力,国际上快堆及其先进的燃料闭合循环技术有可能达到商用化。快堆燃料循环系统包括快堆乏燃料后处理和快堆燃料制备等。由于快堆燃料的燃耗很高,放射性辐射很强,释热率很高,可能使传统的水法后处理技术难以胜任而不得不转向干法后处理。干法后处理的优点在于试剂耐辐照性能好、流程设备简单、成本较低、有利于防扩散等。干法后处理被视为下一代乏燃料后处理的候选技术,但多数国家仍处于实验室研究阶段,只有美、俄两国已达到中试规模或半工业规模而处于世界领先地位。
结语：
基于上述考虑,我国应争取在2020年前后建成一座大型后处理厂和一座MOX燃料制造厂。必须指出,由于我国核燃料循环后段的技术基础相当薄弱,要实现上述目标无疑具有很大的挑战性。因此,我们必须动员全国力量,大力加强先进后处理技术的研究开发工作;在后处理中试厂建成以后,不断提高中试厂的运行水平,为建设大厂积累经验;注意吸取国外后处理厂运行中的经验与教训,借鉴国外研究开发最新成就。
参考文献：
[1]中国科学院我国核能(裂变能)发展战略研究[R]北京:中国科学院学部咨询报告,2006.1
[2]中国工程院大型先进压水堆和先进核能系统战略研究[R]北京:中国工程院咨询报告,2006.3
[3]顾忠茂.日本核科技发展动态[J]科技信息,2003,(2):6~7
论文作者:孔二峰,李名
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/9
标签：核燃料论文; 燃料论文; 后处理论文; 核能论文; 废物论文; 资源论文; 可持续发展论文; 《电力设备》2019年第19期论文;