核燃料循环"一次通过"情景分析研究

核燃料循环"一次通过"情景分析研究

柴静

中核兰州铀浓缩有限公司,甘肃 兰州 730065

摘要：现如今，我国大力发展核电并建立先进闭式燃料循环体系，为了核燃料循环各环节相互匹配，有机协调地发展核电，需对核燃料循环各环节的规模、布局等开展模拟分析研究。核燃料循环标准化是核燃料循环产业安全发展、创新发展的重要支撑，特别是在我国进入高质量发展阶段期间，标准化作用显得尤为重要，开展核燃料循环标准化发展战略研究对支撑我国核工业强国建设具有重要战略意义。

关键词：核燃料循环；一次通过；燃料

核电自20世纪50年代起步开始，逐渐在全世界范围内发展。核电站的运行是一项整个核工业体系的复杂系统性工程，涉及多个环节的工业产业链。其中，核燃料循环是核工业的重要组成部分，开发先进的核燃料及其相关材料是保证核电安全高效发展的最关键问题。当前，国内外高度关注核燃料循环标准化研究工作，相关研究成果涉及铀矿冶标准化、核燃料标准化、核设施退役标准化、核安全标准化等领域。

一、国际化发展对核燃料循环标准化提出新要求

随着我国“一带一路”倡议和核电“走出去”战略的实施，核燃料作为核电“走出去”的重要支撑，其技术和产品也将会进入国际市场，而产品竞争的核心是标准的竞争，迫切需要核燃料标准发挥桥梁纽带作用，抢占国际技术前沿和商业市场。当前，我国在核燃料循环产业的一些关键领域还没有形成具有自主知识产权的标准，为应对国际竞争，亟需构建具有我国自主知识产权的核燃料循环标准体系，打破技术和贸易壁垒的限制，积极推动核燃料循环产业“走出去”。构建适用于我国后处理发展路线的标准体系。重点开展湿法后处理临界安全、辐射安全、工业安全，后处理总体、主工艺系统、辅助工艺系统、建（构）筑物设计，后处理化工设备、机械设备、仪控电设备、监测设备和后处理专用材料，后处理调试，工艺控制、分析、产品、检验、维修，运行限制和条件，乏燃料运输容器、辐射监测、应急安全等领域的标准研制。

二、国际核燃料循环的方式

国际上核燃料循环的方式主要分为“一次通过”的方式和闭式核燃料循环方式，这两种方式在 “燃料元件制造”环节前是一样的，都包括铀资源调查、铀矿开采、水冶、转化、浓缩。不同之处在于对乏燃料的处理方式，“一次通过”方式是将核电厂卸出的燃烧过的燃料（乏燃料），在贮存水池暂存一段时间后，直接送往地质处置库进行地质处置。闭式核燃料循环方式是乏燃料在贮存水池暂存一段时间后，送往乏燃料后处理厂，经过分离流程，回收乏燃料中的铀和钚，然后再将铀和钚制成混合燃料，在压水堆核电站或快堆核电站再次使用。（详细过程见图一）

图一 核燃料循环的 “一次通过”方式

三、不同核燃料循环方式后段过程描述

不同的核燃料循环方式的前段过程是一致的, 包括天然铀的开采、冶炼、转化、浓缩以及核燃料元件的制作; 具体差异体现在后段: 开式战略是直接进行处置, 而闭式战略则要求进行后处理过程。正是由于这点不同, 导致不同核燃料循环方式的物质流参数计算结果差异非常大。以下是 3 种循环方式后段的过程描述：

（一）“开式热堆一次通过”战略(以下简称”一次通过”战略)后段的基本流程: UOX (氧化铀燃料)乏燃料从热堆中卸出后,被送往中间贮存冷却池存储,乏燃料被包装后运送到地质处置库,进行直接处置而没有任何后处理。

（二）“闭式热堆循环”战略(以下简称“热堆循环”战略)后段基本流程: 乏燃料第一次从热堆中卸出后,经过中间贮存池冷却进行后处理。一方面分离回收元素铀（U）和钚（Pu）进行 MOX (铀钚混合燃料)燃料制造; 另一方面, 次锕系元素和裂变产物被直接进行玻璃固化处置。MOX 与新的UOX 燃料混合后第二次进入热堆中“裂变反应”。再次循环后的混合乏燃料从反应堆卸出, 通过中间贮存冷却后, UOX乏燃料再次后处理, 回收分离元素(Pu 和U)进行MOX 燃料制造, 进入下次循环，而 MOX 乏燃料则进行回收并被直接进行最终处置。

（三）“闭式热堆快堆混合循环”战略(以下简称“混合循环”战略)后段基本流程: UOX 乏燃料从热堆中卸出, 经过中间贮存池冷却后进行后处理。一方面分离回收超铀元素(TRU), 进行快堆燃料制造; 另一方面裂变产物被分离直接进行玻璃固化处置。快堆燃料进入快堆中“反应”。卸出的快堆乏燃料经过中间贮存池冷却后进行快堆乏燃料后处理, 再次回收分离超铀元素(TRU), 进行快堆燃料制造, 如此循环; 快堆乏燃料分离后剩下的裂变产物被回收并送往处置库进行最终处置。

四、核燃料制造需求及核废物体积总量

   不同燃料循环战略需要不同类型核燃料, “一次通过”战略只需要 UOX 燃料;“热堆循环”战略既需要UOX燃料(比“一次通过”战略少 12%), 同时又需要MOX热堆燃料; 部署快堆后,UOX燃料的需求大幅降低,“混合循环”比“一次通过”和“热堆循环”分别减少60.3%和 54.8%的 UOX 燃料需求,但使用闭式循环、快堆后, 可以大大减少核废物总量。

一方面 Pu 和 TRU 等基本都被回收利用; 另一方面由于快堆焚烧, FP （功率）产额也大大减少。加上后处理的固化手段, 极大地减少了放射性核废料体积。“热堆循环”比“一次通过”减少 87.1%的废物体积; “混合循环”分别比“热堆循环”和“一次通过”减少 91.4%和 98.9%的废物体积。

结论：

核燃料是涉及多种工业产业链的重要环节的能源。其中与使用的燃料相关的主要环节包括 铀矿开采、水冶、转化、浓缩、铀元件制造、堆内使用、水池暂存、后处理、高放废物暂存、高放废物分离、嬗变、地质处置等环节，其中“混合循环”战略要求部署 60%的快堆装机功率, 而随之配套的要求为快堆核电机组设备自主制造能力、快堆核燃料元件加工能力、快堆乏燃料后处理能力等多项先进技术。这里面涉及的技术性问题和经济性分析值得进一步考虑。

参考文献：

[1]基于三代压水堆的中国核燃料循环模式仿真研究[J].刘志宾,马进,王兵树,段新会.系统仿真学报.2017(03).

[2]田湾核电站乏燃料离堆贮存方案研究[J].马敬,刘继连.科技和产业.2014 (04).

[3]我国快堆闭式核燃料循环体系的现状及展望[J].王宏渊.能源工程.2013(05)