論我國核燃料循環(huán)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略

黃潔絲

摘?要：核燃料產(chǎn)業(yè)通常包括了鈾濃縮、采冶、天然鈾勘查、燃料元件制造等部分構(gòu)成。隨著科技創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化速度加快，我國核燃料產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展的時期，進(jìn)一步推動了核能的發(fā)展，也進(jìn)一步體現(xiàn)出了我國核能發(fā)展的水平和能力。當(dāng)前，在我國核電發(fā)展的推動作用下，核燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平也進(jìn)一步得到了提升，在技術(shù)不斷創(chuàng)新的過程中，為我國核電可持續(xù)發(fā)展提供了安全、技術(shù)上的保障。在經(jīng)濟(jì)全球化過程中，中國核燃料產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步加快了商用化和國際化的速度，在這個過程中我國也面臨巨大的競爭壓力。通過對全球核燃料產(chǎn)業(yè)當(dāng)前發(fā)展形勢進(jìn)行分析的方式，能夠為核燃料產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展趨勢進(jìn)行有效判斷，并在此基礎(chǔ)上才能夠采取有效的發(fā)展措施。本文主要對世界核能技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行了分析，著重分析了我國核燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，并探究了站在核能可持續(xù)發(fā)展過程中先進(jìn)核燃料循環(huán)技術(shù)的作用，最后對我國核燃料循環(huán)后段技術(shù)的現(xiàn)場及其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，希望為我國核燃料產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展不斷夯實基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：核燃料產(chǎn)業(yè);核燃料循環(huán)技術(shù);發(fā)展趨勢

中圖分類號：TB???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2022.16.102

1?世界核能技術(shù)發(fā)展歷程

針對設(shè)計核能產(chǎn)業(yè)發(fā)展這一問題，國際上當(dāng)前采用的依舊是美國能源部的提法。20世紀(jì)50～60年代推出的原型堆在學(xué)術(shù)界被稱之為第一代;20世紀(jì)70年代推出的商用動力堆被稱之為第二代;20世紀(jì)末期所推出的先進(jìn)水冷堆則被稱之為第三代。而在1999年提出的，預(yù)計于2030年以前實現(xiàn)的核能系統(tǒng)被稱之為第四代，力求在2030年之前開發(fā)出六種第四代核電站新型反應(yīng)堆。

目前，世界上所運行的核電站的發(fā)電總量在2500億千瓦左右，占世界總發(fā)電量的17%，而目前除了日本的核電站在使用第三代反應(yīng)堆外，世界上大部分國家仍然在使用第二代反應(yīng)堆。所以第二代核電的技術(shù)更加成熟，在安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面有較高的保障，運行起來也比較穩(wěn)定。第三代核電在第二代核電的升級版本，與第二代核電相比，其優(yōu)勢在于有更好的安全性和經(jīng)濟(jì)性特征，所以在應(yīng)對重大事故的時候，可以避免將設(shè)備故障轉(zhuǎn)變?yōu)榉磻?yīng)堆事故，進(jìn)一步降低了堆芯熔化事故的概率。

核電之所以從第二代向第三代發(fā)展，是建立在相關(guān)核電技術(shù)趨于成熟的基礎(chǔ)上，在技術(shù)不斷創(chuàng)新和改進(jìn)的過程中，核電的安全性與經(jīng)濟(jì)性得到了進(jìn)一步提升，使得核電技術(shù)在市場上具有更強(qiáng)的競爭能力。

第四代核電也是在第三代核電的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種先進(jìn)系統(tǒng)，雖然目前仍然未實現(xiàn)，不過我們已經(jīng)明確了其需要具備什么樣的特點（循環(huán)經(jīng)濟(jì)）。從2002年在東京召開的關(guān)于第四代核電站的會議來看，第四代核電站基本具備資源可持續(xù)性、高度安全性和良好經(jīng)濟(jì)性的特點，同時還需要具備強(qiáng)大的防盜和防非法轉(zhuǎn)移的特點，這就進(jìn)一步為第四代核電站的發(fā)展指明了一個方向。

近年來，IAEA每一年都會對未來20～30年的發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果表明未來國外核能發(fā)展情況不容樂觀，持續(xù)保持裝機(jī)穩(wěn)中有增難度較大，所以在國際核燃料市場中的競爭壓力并不會降低，而我國核燃料產(chǎn)業(yè)想要保持競爭優(yōu)勢未來還需要面臨非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2?我國核燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1?鈾濃縮產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量持續(xù)提升

我國核燃料產(chǎn)業(yè)在發(fā)展的過程中，已經(jīng)建成了具備安全自主知識產(chǎn)權(quán)的鈾濃縮離心機(jī)大型商用示范工程，單機(jī)分離效率得到了大幅度提升，進(jìn)一步提高了我國鈾濃縮的整體技術(shù)水平，促進(jìn)了鈾濃縮經(jīng)濟(jì)性的提升。在我國鈾濃縮工程模塊化建設(shè)水平不斷提升的過程中，從工程的設(shè)計階段到后期竣工階段，時間可以控制在3～5年左右，在我國核能規(guī)?；l(fā)展的過程中，可以更好地滿足對鈾濃縮的需求。2018-2020年期間，我國新開工核電機(jī)組對鈾濃縮的需求進(jìn)一步增加，所以在2020年我國已經(jīng)開始建設(shè)一條新的鈾濃縮生產(chǎn)工程，并積極對鈾濃縮運行進(jìn)行了改進(jìn)，鈾濃縮企業(yè)進(jìn)一步實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，降本增效政策進(jìn)一步落實，使得鈾濃縮企業(yè)在國際上的競爭力大幅提升。

2.2?核燃料加工生產(chǎn)線保持安全穩(wěn)定運行

從目前的情況來看，我國在南北地區(qū)各有一個重要的核燃料制造基地，配置了重水堆、壓水堆、高溫氣冷堆等重要燃料組件生產(chǎn)線。在我國核電快速發(fā)展的過程中，核燃料元件生產(chǎn)的穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步提升，已經(jīng)能夠滿足我國核電發(fā)展的需求。在N36鋯合金鑄錠、TREX管坯、管材等先后通過合格鑒定之后，鋯合金材料批量化產(chǎn)品也成功線下，同時也通過了產(chǎn)品合格鑒定，N36鋯合金材料的質(zhì)量得到了更加穩(wěn)定的保障，同時先進(jìn)核燃料生產(chǎn)的工藝水平也得到了大幅度的提升。以壓水堆燃料組件為例，國內(nèi)企業(yè)積極推進(jìn)了自主CF系列核燃料元件研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，在這個過程中CF2組件產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)取得了實質(zhì)性進(jìn)展，同時具備了商用化的條件。尤其是在2020年，我國CF2組件產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用又取得了新突破，“華龍一號”海外首堆CF2核燃料組件按時交付同時進(jìn)行了裝料。截至2020年底，中國核工業(yè)集團(tuán)已經(jīng)完成了環(huán)形燃料入商用堆考驗組件設(shè)計，疏通了環(huán)形燃料組件整個制造、組裝和檢測的流程，突破了堆芯安全相關(guān)的關(guān)鍵臨界熱流密度試驗技術(shù)，實驗數(shù)據(jù)與預(yù)期數(shù)據(jù)切實相符。中國核工業(yè)集團(tuán)所開展的涂層鋯合金耐事故燃料的研發(fā)也非常順利，制備完成全尺寸Cr涂層管，同時核安全局也提交的相關(guān)的試驗入堆輻照申請。

2.3?鋯合金產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新加速

關(guān)于我國先進(jìn)核燃料方面的問題，“十三五”期間，中國核工業(yè)集團(tuán)自主研發(fā)出了一種名為鋯合金N36的材料，這一成果標(biāo)志著我國先進(jìn)核燃料材料已經(jīng)正式從研發(fā)階段轉(zhuǎn)化成了商業(yè)化供應(yīng)階段，近年來，在我國核工業(yè)不斷發(fā)展的過程中，我國核級海綿鋯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也得到了十足進(jìn)步，國內(nèi)目前已經(jīng)建成了三家具備生產(chǎn)核級海綿鋯的廠家。雖然我國核級海綿鋯的產(chǎn)量并不高，但是其生產(chǎn)成本很低，核級海綿鋯的質(zhì)量也比較高，生產(chǎn)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在國家上也處在領(lǐng)先地位，因此在2020年我國已經(jīng)成功向俄羅斯出口一批核級海綿鋯。堅持以科技驅(qū)動為基本，堅定聚焦關(guān)鍵技術(shù)，切實打造科技成果轉(zhuǎn)化高端平臺，打造一體化的產(chǎn)業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)化鏈，研判新階段重點，提升整體發(fā)展的活力。積極通過巡檢機(jī)器人技術(shù)、智能視頻監(jiān)測技術(shù)等構(gòu)件工廠三維建模、數(shù)字孿生技術(shù)等的研究分析，積極推進(jìn)現(xiàn)代化、智能化DCS平臺發(fā)展，實現(xiàn)同心多元發(fā)展。

2.4?核燃料循環(huán)后段

在核能發(fā)展中核燃料循環(huán)體系是非常重要的一個部分。我國長期以來，始終堅持閉式核燃料循環(huán)政策，致力于提高鈾資源利用效率，同時加強(qiáng)對放射性物質(zhì)的治理力度。目前，中國的核燃料循環(huán)系統(tǒng)尚存在后處理能力不足的問題，一些關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備不能獨立，與法國、俄羅斯、英國和日本等核大國相比，仍有很大差距，加快核燃料循環(huán)后期的發(fā)展是中國核電發(fā)展的現(xiàn)實要求。后級能力與核電發(fā)展密切相關(guān)，屬于相互依存關(guān)系。“十三五”期間，我國正逐漸加強(qiáng)對核燃料的處理，包括了運輸、儲存、后處理等工序，其中就涉及了放射性物質(zhì)的處理，并構(gòu)建了相應(yīng)的處理體系，在核燃料處理的各個方面都取得了實質(zhì)性進(jìn)展，實現(xiàn)了對核燃料的安全管理，進(jìn)一步促進(jìn)了我國核能的可持續(xù)發(fā)展。以我國壓水堆核電站為例，2020-2021年之間，總共生產(chǎn)了乏燃料6513tHM，目前還有5957tHM儲存在堆水池當(dāng)中、有110tHM儲存在核電廠的干式貯存設(shè)施當(dāng)中。為了對核燃料進(jìn)行安全管理，為核電站的穩(wěn)定運行提供安全保障，我國進(jìn)一步加強(qiáng)了對核燃料運輸、貯存等環(huán)節(jié)的管理，進(jìn)一步對核燃料循環(huán)體系進(jìn)行了完善。

3?先進(jìn)核燃料循環(huán)技術(shù)對核能可持續(xù)發(fā)展的作用

3.1?核燃料循環(huán)概述

核能的生產(chǎn)技術(shù)與超常規(guī)的能源生產(chǎn)技術(shù)相比存在較大的差異。核燃料循環(huán)主要由鈾礦開采、鈾礦精煉、鈾濃縮等環(huán)節(jié)構(gòu)成。需要將開采到的鈾礦進(jìn)行精煉和水冶，從而產(chǎn)生鈾濃縮物U3O8，隨后需要使用離心法或氣體擴(kuò)散法等方法，將UF6中的鈾-235同位素進(jìn)行濃縮，確保能夠滿足反應(yīng)堆對鈾濃縮的需求。制造反應(yīng)堆所需的燃料，將要將UF6轉(zhuǎn)化成為UO2，同時將UO2壓制成小片氨，并封裝到燃料棒中，最后建成燃料組件，隨后利用反應(yīng)堆進(jìn)行發(fā)電。燃料在反應(yīng)堆中進(jìn)行燃燒后需要對其進(jìn)行處理，將燃燒過后的燃料中的殘存鈾取出，便于制作出新的燃料元件。隨后需要對放射性廢物進(jìn)行處置，包括超鈾元素廢物、高放廢液玻璃固化廢物等的處理。核燃料在上述各個環(huán)節(jié)當(dāng)中都能夠進(jìn)行運輸。

3.2?核燃料閉式循環(huán)與核能可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系

實現(xiàn)核能可持續(xù)發(fā)展，需要解決兩個方面的問題：

首先是需要在實現(xiàn)鈾資源利用最優(yōu)化的基礎(chǔ)上，減少核廢物的排放。從當(dāng)前的國際水平來看，已經(jīng)實現(xiàn)已經(jīng)由研發(fā)階段轉(zhuǎn)化為商業(yè)運用階段的熱對燃料循環(huán)，部分已經(jīng)實現(xiàn)了分離钚與鈾的再循環(huán)，從而有效提高了鈾資源的利用水平和效率，在減小核廢物堆放體積方面展現(xiàn)出了良好的效果。20世紀(jì)90年代初期，國外已經(jīng)開始了對先進(jìn)核燃料循環(huán)的研究，進(jìn)一步推動了核燃料循環(huán)體系的發(fā)展。該研究項目主要是建立在熱堆燃料循環(huán)的基礎(chǔ)上，同時實現(xiàn)了與未來的快堆或加速器驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合。在逐漸引進(jìn)了快堆燃料循環(huán)、ADS燃料循環(huán)等技術(shù)后，未來先進(jìn)的后處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對快堆-ADS乏燃料和熱堆ADS-乏燃料的處理，從而實現(xiàn)Pu、U與Ma的閉合循環(huán)，在充分利用鈾資源的過程中，也能夠?qū)⒑藦U物的毒性、體積降到最低。比如熱堆核燃料閉合循環(huán)的方式，主要是通過后處理的方式將熱堆乏燃料中的鈾和钚提取出來，隨后鈾和钚會重新進(jìn)入熱堆中進(jìn)行再循環(huán)，以此來提高鈾資源的利用效率。在熱堆電站乏燃料當(dāng)中，鈾的含量大概在95%左右，而钚的含量大概在1%左右，剩下4%主要由Ma和Fp組成。在經(jīng)過后處理之后，所得到了貧化鈾與钚混合，最終生產(chǎn)MOX燃料。該燃料中钚的含量通常會受到熱堆中反應(yīng)性的限制，因為Pu-239在發(fā)生裂變反應(yīng)的時候所發(fā)射的緩發(fā)中子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比U-235所發(fā)射的耕地，所以說在MOX燃料中钚的含量不能夠過高，避免出現(xiàn)反應(yīng)堆失控的情況。

4?我國核燃料循環(huán)后段技術(shù)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

4.1?后處理技術(shù)

核燃料后處理分離相當(dāng)復(fù)雜，對操作的放射性水平要求非常高，所以后處理技術(shù)的操作難度非常大。乏燃料后處理PUREX流程最開始針對核武器生產(chǎn)中的钚而發(fā)展的，隨后在動力堆乏燃料后處理中也采用該流程，不過在燃耗不斷增高的過程中，動力乏燃料后處理的技術(shù)難度進(jìn)一步得到了增強(qiáng)。最早的商用后處理廠由美國建成，20世紀(jì)70年代末，美國政府以避免核擴(kuò)散的理由將商用后處理廠進(jìn)行了凍結(jié)，不過當(dāng)時美國也沒有停止對后處理技術(shù)的研究。在后續(xù)一段時間里，英國、蘇聯(lián)、印度等國先后也建成了商用后處理廠。截至2020年，全球商用后處理廠的產(chǎn)能在4000t/a左右，占全球核電站乏燃料年泄出量的1/3左右。從目前的情況來看，世界各國已經(jīng)逐漸積累了較為成熟的運營經(jīng)驗，后處理技術(shù)也逐漸趨于成熟。為了盡快適應(yīng)第四代核電站發(fā)展的需求，對后處理廠的經(jīng)濟(jì)學(xué)、安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，所以在未來還需要進(jìn)一步對后處理廠的技術(shù)工藝、設(shè)備等進(jìn)行優(yōu)化。在這樣的情況下，不僅需要對后處理PUREX流程進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，切實考慮到Ma與LLFP的分離和嬗變，國際上提出了先進(jìn)后處理的概，分別包括了后處理高放廢液分離和全分離兩種方案。全分離方案主要是站在鈾、钚、Ma和LLFP的角度出發(fā)，推出了一種新的分離流程，不過全分離方案的操作難度較大。后處理高放廢液分離方案，是對后處理PUREX流程進(jìn)行改進(jìn)，將三價Ma從高放廢液中進(jìn)行分離。目前，國際上主要采用的是后處理高放廢液分離方案，該方案的優(yōu)勢在于，能夠基于現(xiàn)有后處理廠建設(shè)高放廢液分離工廠，并且相關(guān)技術(shù)已經(jīng)區(qū)域成熟，實施起來難度較低，對資源、資金的需求量相對較低。

4.2?快堆燃料循環(huán)技術(shù)

達(dá)到以快堆為引導(dǎo)的閉合燃料循環(huán)商用化的目標(biāo)，是我國實現(xiàn)大規(guī)模核裂變能的重點，預(yù)計在2030年之前，核工業(yè)發(fā)達(dá)國家的快堆和先進(jìn)燃料閉合循環(huán)技術(shù)就能夠初步實現(xiàn)商業(yè)化。應(yīng)用快堆燃料循環(huán)技術(shù)，包括了快堆燃料制備和快堆燃料后處理等流程。因為快堆燃料的燃耗非常高，同時其釋熱率與放射性輻射非常高，所以必須將傳統(tǒng)的水法后處理轉(zhuǎn)化為干法后處理。干法后處理的優(yōu)勢在于，試劑具有更好地耐輻射性能，具有防擴(kuò)散、經(jīng)濟(jì)性的特點，相關(guān)設(shè)備操作起來也比較簡單。長期以來，國際上都將干法后處理技術(shù)當(dāng)成未來乏燃料后處理的候選技術(shù)，不過很多國家目前仍然還處于實驗階段，而俄國、美國已經(jīng)初步實現(xiàn)了半規(guī)模化，在國際領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。關(guān)于快堆燃料的問題，MOX燃料技術(shù)算得上是一種比較成熟的技術(shù)，不過該技術(shù)的增殖性比較差。所以為了進(jìn)一步縮短增殖周期，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對金屬合金燃料的研究，如鉻金屬就是最典型的代表。從目前的情況來看，也只有美國掌握了加工U-Pu-Zr金屬合金燃料的技術(shù)，日本當(dāng)前也在借鑒美國的成功經(jīng)驗，加強(qiáng)對金屬合金燃料技術(shù)的研究。而針對快堆核能系統(tǒng)的研發(fā)，1999年日本啟動了針對商用快堆循環(huán)可行性的研究計劃，充分利用快堆循環(huán)的優(yōu)勢，在保證安全性的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和競爭性優(yōu)勢，進(jìn)一步明確了商用快堆循環(huán)的發(fā)展方向，其開發(fā)思路是快速打通快堆循環(huán)系統(tǒng)的所有節(jié)點，為實現(xiàn)快堆循環(huán)系統(tǒng)商用化奠定良好的基礎(chǔ)。相比而言印度的快堆循環(huán)研究計劃也不是僅限于對快堆進(jìn)行研究，而是加強(qiáng)了對快堆循環(huán)系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)的研究，在燃料制備、后處理、燃料再循環(huán)、核廢物處理、等方面取得了實質(zhì)性成就。

5?結(jié)語

國際上致力于在2030年之前建成第四代新型核電站，我國也同樣有這樣的目標(biāo)。不過從目前的情況來看，我國核燃料循環(huán)后段技術(shù)的基礎(chǔ)還比較薄弱，而想要實現(xiàn)核燃料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，未來還需要面臨巨大的挑戰(zhàn)。所以我們還需要加強(qiáng)對后處理技術(shù)的研究和利用，在建立商用化后處理廠的目標(biāo)引導(dǎo)下，不斷提高后處理運行能力，不斷在建設(shè)大廠的過程中積累豐富的經(jīng)驗。在實際的發(fā)展過程中也需要做好頂層設(shè)計，積極加強(qiáng)政府主導(dǎo)，落實相關(guān)法律法規(guī)制定，促進(jìn)政企融合發(fā)展，實現(xiàn)核處理后段能力建設(shè)，同時，我國還需要積極汲取國外先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗，也要銘記國外失敗的教訓(xùn)，集合國內(nèi)外研發(fā)成就，積極推廣核文化宣傳工作，強(qiáng)化立法工作，為我國核燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定扎實的基礎(chǔ)。

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