核燃料循環(huán)“一次通過”情景分析研究

劉存兄，何 輝，葉國安，劉櫟錕，張秋月，李 麗

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

核電自20世紀50年代起步開始，逐漸在全世界范圍內(nèi)發(fā)展。目前，全球有452座商用核電站在30多個國家內(nèi)運行，共計397 GW裝機容量，在建的還有54座，裝機容量57 GW。目前商用的核電站中，美國運行99座核電站，法國運行58座核電站，中國運行45座核電站[1]。

核電站的運行是一項整個核工業(yè)體系的復(fù)雜系統(tǒng)工程, 涉及多個環(huán)節(jié)的工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈。其中與使用的燃料相關(guān)的主要環(huán)節(jié)包括，鈾資源調(diào)查、鈾礦開采、水冶、轉(zhuǎn)化、濃縮、鈾元件制造、堆內(nèi)使用、水池暫存、后處理、高放廢物暫存、高放廢物分離、嬗變、地質(zhì)處置等環(huán)節(jié)，所有與燃料相關(guān)的環(huán)節(jié)組成了核燃料的循環(huán)體系[2]。

國際上核燃料循環(huán)的方式主要分為兩種：一種是以美國為代表的“一次通過”的方式(見圖1)，另一種是以法國為代表的閉式核燃料循環(huán)方式(見圖2)。“一次通過”的方式和閉式核燃料循環(huán)方式在“燃料元件制造”環(huán)節(jié)前是一樣的，都包括鈾資源調(diào)查、鈾礦開采、水冶、轉(zhuǎn)化、濃縮。不同之處在于對乏燃料的處理方式?！耙淮瓮ㄟ^”方式是將核電廠卸出的燃燒過的燃料(乏燃料)，在貯存水池暫存一段時間后，直接送往地質(zhì)處置庫進行地質(zhì)處置。閉式核燃料循環(huán)方式是乏燃料在貯存水池暫存一段時間后，送往乏燃料后處理廠，經(jīng)過分離流程，回收乏燃料中的鈾和钚，然后再將鈾和钚制成混合燃料，在壓水堆核電站或快堆核電站再使用[2-3]。由圖1可知，“一次通過”方式中，影響核電站運行的重要工藝段是235U的富集、燃料元件制造、壓水堆運行、乏燃料暫存、地質(zhì)處置。各國在發(fā)展核電的過程中，根據(jù)各國的國情，選擇不同的核燃料循環(huán)方式。

圖1 核燃料循環(huán)的“一次通過”方式

圖2 閉式核燃料循環(huán)方式

核電發(fā)展過程中，不管核燃料循環(huán)采用哪種方式，都需要對鈾資源需求量、需要的分離功、產(chǎn)生的乏燃料、暫存庫的容量等進行計算分析，使核電站的發(fā)展與鈾資源需求量、需要的分離功、暫存庫的容量等匹配，即需要解決各個環(huán)節(jié)間的規(guī)模、結(jié)構(gòu)和時間三個重要問題，以便各個環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌發(fā)展[2]。

本報告假設(shè)2050年前后，中國核電分別達到100 GW、200 GW和300 GW，核燃料循環(huán)方式采用“一次通過”方式，利用Excel計算分析2019-2092年累計需要的天然鈾、每年需要的天然鈾、每年需要的分離功、累計產(chǎn)生的乏燃料、需要離堆暫存的乏燃料量等，為核電和核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展、規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù)。

1 運行的核電站、在堆水池、離堆暫存庫等信息

根據(jù)中國核網(wǎng)微信公眾號2019年2月發(fā)布的信息，截至2019年1月31日，中國大陸運行的核電機組已達45臺/套，裝機容量45.7 GW。在建11臺，裝機容量11.9 GW。2018年運行了8臺核電機組，總裝機容量為9.96 GW。運行機組的位置、功率和商運時間見表1[4]。

表1 截至2019年1月31日，中國大陸運行的核電機組的位置、功率和商運時間

計算分析的前提及假設(shè)如下：

1)壓水堆核電站的平均壽期按50年計。壓水堆核電站設(shè)計壽命一般為30～40年。目前，滿40年壽期后，多數(shù)核電站都會申請延期，延長至60年，故壓水堆核電站的平均壽期按50年計[5-6]；

2)核電站裝載濃縮鈾燃料按4.5%的加濃度計。壓水堆核電站燃料濃縮鈾的加濃度通常在3%～5.0%，多數(shù)堆采用加濃度為4.5%的鈾燃料[7-8]。4.5%的濃縮鈾的分離功為6.87 tSWU/t濃縮鈾[9]；

3)天然鈾中235U的含量為0.72%，貧鈾中235U的含量按0.3%計算，根據(jù)質(zhì)量守恒計算，1 t濃縮度為4.5%的濃縮鈾，需10 t天然鈾[10]；

4)壓水堆核電站建設(shè)周期為5年[11-12]；

5)壓水堆在堆水池的容量按平均容量為400 t計算，20年后在堆水池全滿[13]；

6)1 GW的核電站每年產(chǎn)生乏燃料介于17～22 t之間(燃耗45 GWd/t)，平均按每年產(chǎn)生20 t乏燃料計算[14-15]；

7)截至2018年12月31日，國內(nèi)累計乏燃料3 170 t。

8)2050前后，核電裝機容量達到100 GW、200 GW和300 GW時，不再建設(shè)新核電站，總裝機容量隨著核電站的退役逐年減少。

2 不同核電裝機容量下運行核電站和暫存水池的計算和分析

2.1 2050年前后，核電裝機容量100 GW情景下，運行的核電站和運行的在堆水池情況

假設(shè)到2050年，核電裝機容量為100 GW。設(shè)定從2019年開始，每年建設(shè)3臺1 GW的核電機組，5年的建設(shè)周期，2024年共有48臺核電機組運行，依次類推，到2041年核電裝機容量即可達到99 GW。2037年再建設(shè)1臺1 GW的核電機組，2042年就可達到100 GW。2043年核電裝機容量保持在100 GW。

從2044年開始，1994年開始商運的秦山核電站、大亞灣核電站1號機組、大亞灣核電站2號機組已達到50年的壽期，開始退役。即從2044年開始，實際運行的核電站逐年或隔幾年減少，一直到2092年，商運的核電站全部退役。2019-2092年實際運行的核電站、在堆水池如圖3。

圖3 100 GW核電裝機容量下2019—2092年實際運行的核電站和在堆水池

2019年開始，按每年3座核電站的建設(shè)速度，5年的建設(shè)周期，從2024-2043年，核電站的數(shù)量是直線上升，2042年、2043年核電站數(shù)量最多，為100座。2044年有3座核電站滿50年的壽期，2044年核電站數(shù)量減少為97座。2044-2050年核電站數(shù)量保持不變，曲線呈現(xiàn)第一個平臺，是因為1995-2000年沒有核電站投入運行。2051年開始核電站數(shù)量呈平緩的曲線減少，直到2067年，2068-2073年出現(xiàn)第二個平臺。2074年開始，核電站數(shù)量變?yōu)橹本€下降。2051-2067年減少較慢是因為2001-2015年逐漸運行的28座核電站也在逐年退役，而且這28座核電站開始商運的時間不一致，退役的時間也不盡一致，核電站數(shù)量的減少呈平緩的曲線。2068-2073年核電站數(shù)量不變是因為2019-2023年在建的核電站還未投入運行。2024年開始每年有3座核電站啟用，故從2074年開始核電站數(shù)量的減少變?yōu)橹本€下降。

2019-2092年，在堆水池的變化總體呈現(xiàn)駝峰形式，即先波谷、再直線增長成波峰，再減少到波谷，再增長到波峰，然后直線減少到0。從2019-2023年逐漸減少，2023年降為波谷值36座，這是因為從1995-2000年沒有新的核電站和水池投入運行。從2024年開始逐漸增加，從2025-2033年逐漸增加，2033年在堆水池達到58座，為第一波峰的峰頂。2034年開始又逐漸減少，直到2038年減少為第二波谷的46座，是因為2014-2018年投入運行的核電站在堆水池較多，總計達25個，這些在堆水池到2034-2038年都已到了20年的壽期。2039年開始又以每年3座的速度逐漸增加，到2042年、2043年達到55個，為第二波峰。2044年開始又以每年3個的速度逐漸減少，直到2056年減少到6個，2057年則僅剩1個在堆水池運行。2024年開始在堆水池以每年三個的速度增加，到2044年滿20年壽期，1994-2018年頭投入運行的在堆水池也都已全部滿20年的壽期，故從2058-2092年所有在堆水池全滿或到20年服役期。

2.2 2050年前后，核電裝機容量200 GW情景下，運行的核電站和運行的在堆水池情況

在200 GW情景下，從2019年開始，每年建設(shè)6臺1 GW的核電機組。到2049年即可達到201 GW，2045年建設(shè)3臺，2050年就能達到203 GW。但是2044年開始，就有3臺電站退役。故2050年，實際運行的核電裝機容量為200 GW。到2100年，全部203 GW的核電機組都退役。圖4為 2019-2100年實際運行的核電站和在堆水池。

圖4 200 GW核電裝機容量下2019—2100年實際運行的核電站和在堆水池

2019-2042年實際運行在堆水池總體是逐漸增長的趨勢，到2043年實際運行在堆水池達到最多，為120個。2044-2049年保持117個在堆水池不變，2050年開始逐年減少，直到2070年減為0個。2044-2049年保持不變，是因為2024-2029年既有滿周期的核電站也有滿周期的在堆水池，兩者累計恰使運行的在堆水池完全一樣。

2.3 2050年前后，核電裝機容量300 GW情景下，運行的核電站和運行的在堆水池情況

在300 GW情景下，從2019年開始，每年建設(shè)10臺1 GW的核電機組。到2048年即可達到295 GW。2044年建設(shè)8臺，到2049年即可達到303 GW。2044年退役3臺，2049年實際的核電容量為300 GW。到2099年，全部核電機組退役。圖5為2019-2099年實際運行的核電站和在堆水池。

圖5 300 GW核電裝機容量下2019—2100年實際運行的核電站和在堆水池

2019-2023年運行的在堆水池略有減少，2024-2043年運行的在堆水池逐年直線增加，2043年達到最多，為200個。2044-2048年保持不變，都是197個，也是因為核電站和在堆水池同時滿周期，致使運行的在堆水池個數(shù)相同。2045年以后，在堆水池直線減少，到2066年全部在堆水池滿20年的運行周期。

3 需要的天然鈾、分離功、需要離堆暫存的乏燃料等計算分析結(jié)果和討論

利用Excel計算分析需要的天然鈾、分離功、需要離堆暫存的乏燃料等，分析計算結(jié)果如下。

3.1 在核電裝機容量為100 GW、200 GW和300 GW三種情景下，累計需要的天然鈾

圖6為累計需要的天然鈾。在核電裝機容量為100 GW、200 GW和300 GW三種情景下，核電站需要的天然鈾逐年近似于直線增長。但從2024年開始，天然鈾的需求量開始明顯增長。在三種情景下，核電站從商運開始到50年后退役，合計需要天然鈾分別為100萬t、200萬t和300萬t。

圖6 100 GW、200 GW和300 GW三種情景下，累計需要的天然鈾

3.2 在核電裝機容量為100 GW、200 GW和300 GW三種情景下，每年需要的天然鈾和分離功

圖7為在核電裝機容量為100 GW、200 GW和300 GW三種情景下，核電站每年需要的天然鈾。三種情景下，每年需要的天然鈾近似于平緩的拋物線。100 GW情景下，從2024年開始逐年直線增長，在2042-2043年期間達到最高值20 000 t/a，2044-2074年逐年緩慢減少，到2075年變?yōu)橹本€減少，直到2092年減為0。

圖7 100 GW、200 GW和300 GW三種情景下，每年需要的天然鈾

200 GW和300 GW情景下，也是從2024年開始直線增長，到2049—2050年期間分別達到最高值39 400 t/a和59 400 t/a，2051-2075年減緩慢減少，到2074、2075年開始直線減少。

每年所需鈾資源的量與運行的核電站直接相關(guān)。100 GW核電裝機容量情景下，2043-2072年的29年內(nèi)每年需要的鈾資源從20 000 t/a緩慢減少為10 400 t/a。200 GW核電裝機容量情景下，2050-2072年的23年內(nèi)每年需要的鈾資源從39 400 t/a緩慢減少為29 800 t/a。300 GW核電裝機容量情景下，2050-2072年的23年內(nèi)每年需要的鈾資源從59 400 t/a緩慢減少為51 000 t/a。三種情景下，都有較長一段時期每年需要大量的鈾資源。

圖8為在核電裝機容量為100 GW、200 GW和300 GW三種情景下，每年需要的鈾分離功。分離功的需求變化趨勢與每年需要的天然鈾需求相似。在100 GW核電容量情景下，每年需要的分離功從2019年開始逐年增加，從2024年開始直線增加，到2042、2043年達到最大值13 740 SWU。此后開始慢慢減少，直到2092年減少為0 SWU。

在200 GW和300 GW核電裝機容量下，也是從2024年開始直線增長，到2049年、2050年分別達到最大值27 000 SWU和40 807 SWU。

圖8 100 GW、200 GW和300 GW三種情景下，每年需要的鈾分離功

3.3 在核電裝機容量為100 GW、200 GW和300 GW三種情景下，累計產(chǎn)生的乏燃料、需離堆暫存的乏燃料

圖9為在核電裝機容量為100 GW、200 GW和300 GW三種情景下，每年累計產(chǎn)生的乏燃料。產(chǎn)生的乏燃料的變化趨勢與累計需要的天然鈾的相似。100 GW、200 GW和300 GW核電裝機容量下，從2019-2092年累計產(chǎn)生乏燃料分別為100 000 t、200 000 t和300 000 t。

圖9 100 GW、200 GW和300 GW三種情景下，累計產(chǎn)生的乏燃料

圖10為在核電裝機容量為100 GW、200 GW和300 GW三種情景下，每年需要離堆暫存的乏燃料量。

在100 GW情景下，2019-2033年，在堆水池能暫存所有卸載的乏燃料。一直到2034年，在堆水池都已全滿，需另建離堆水池來暫存乏燃料。從2035年開始，需暫存的乏燃料逐年增加，到2092年所有在運行的反應(yīng)堆退役，共需暫存的乏燃料量達到9.7 萬t。

在200 GW情景下，2019-2037年，在堆水池可暫存所有反應(yīng)堆卸載的乏燃料。一直到2038年，在堆水池全滿，需另建離堆水池來暫存乏燃料。從2039年開始，需暫存的乏燃料逐年增加，到2100年所有在運行的反應(yīng)堆退役，共需暫存的乏燃料量達到20萬t。

在300 GW情景下，2019-2044年，在堆水池能暫存所有卸載乏燃料。一直到2044年，在堆水池都已全滿，需另建離堆水池來暫存乏燃料。從2045年開始，需暫存的乏燃料逐年增加，到2099年所有在運行的反應(yīng)堆退役，共需暫存的乏燃料量達到30萬t。

4 結(jié) 論

(1)2050年前后，當(dāng)核電裝機容量達到100 GW時，從2019-2092年，累計需要天然鈾100萬t，產(chǎn)生乏燃料10萬t；當(dāng)核電裝機容量為200 GW和300 GW時，從2019-2100年累計需要天然鈾200萬t和300萬t，產(chǎn)生乏燃料20萬t和30萬t；

(2)2050年前后，當(dāng)核電裝機容量達到100 GW時，2042年、2043年分離功的需求最大，最大值為13 740 tSWU/a; 當(dāng)核電裝機容量達到200 GW時，2050年分離功的需求最大，最大值為27 480 tSWU/a; 當(dāng)核電裝機容量達到300 GW時，2049年、2050年分離功的需求最大，最大值為41 220 tSWU/a;

(3)2050年前后，當(dāng)核電裝機容量達到100 GW時，2035年開始需運行離堆暫存庫，容量從2 750 t，一直到2092年隨著在堆水池的退役，離堆暫存庫的容量需10萬t；當(dāng)核電裝機容量達到200 GW時,2039年需運行790 t的離堆暫存庫，一直到2100年，需20萬t的暫存庫；當(dāng)核電裝機容量達到300 GW時,2046年需運行5 390 t的離堆暫存庫，直到2099年需30萬t的離堆暫存庫。