核燃料循環中的重水堆戰略

　　《中國能源中長期2030、2050發展戰略》電力-油氣-核能-環境卷明確提出，“我國應爭取2025年開始實施由開式循環向閉式循環發展，并進一步向快堆增殖核燃料的增殖循環發展，爭取2035年前后，開始實現快堆增殖循環的閉合，2040年前后初步具備能增殖核燃料的快堆增殖系統的產業化發展。”

　　閉式燃料循環是我國核電可持續發展的戰略選擇。但從現實情況來看，我國的閉式燃料循環技術路線尚未全部打通，后處理中試廠已經建成但尚未形成生產能力，小型MOX燃料生產試驗線尚在建設當中;主要選用鈾-钚循環以及钚的循環利用，對占乏燃料94%左右的回收鈾的再利用未加任何考慮;缺乏國家層面上的具體實施規劃和投入，同時，快堆技術路線還未最終選定，上述路線圖在執行上存在很大的不確定性。

　　熱堆的安全和規模是我國核電發展“三步走”的基礎。當前正值熱堆規模發展階段，且熱堆發電資源消耗較大。要保障鈾資源供應安全，除堅持開發國際國內兩種資源、兩個市場以外，還應考慮熱堆的鈾資源利用率提升以及開發備用核能資源。根據國際經驗，回收鈾可在熱堆上再利用，性能與低濃鈾相當，能有效提高熱堆鈾資源利用率。而且，我國有豐富的釷資源儲量，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勢，可以在燃料循環中發揮重要作用。目前，我國欠缺回收鈾再利用和釷資源核能利用相關的工程技術和應用經驗，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。一般來說，回收鈾在壓水堆上的再利用，一般需要與濃縮鈾混合簡稱“高混”或者再濃縮。高混對節省鈾資源意義不大，不適合在我國實行;再濃縮導致其放射性水平較高，輻射防護要求較高，制造工藝比較復雜，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。據估計，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，重水堆利用回收鈾的經濟性預期好于使用天然鈾燃料。因此，重水堆是目前唯一經濟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，其性能相當于稍濃鈾。據研究，NUE燃料適合在現有運行重水堆上使用，無需對堆芯系統作任何修改;直接利用回收鈾燃料有助于提升重水堆的安全性能，但需要對反應堆系統作少量修改。

　　另外，對于釷資源利用發而言，重水堆容易利用釷作為燃料，同時也是最為可能實現自持循環的熱堆堆型。2008年，在國家能源局主持召開的釷資源核能利用專家咨詢會上，部分與會專家建議用重水堆作為我國釷資源核能利用技術研究的突破口。為此，2009年，秦山三期聯合國內外生產和研究單位開展相關初步可行性研究。研究結果顯示增強型CANDU 6重水堆上使用以富集度為1.6%的低濃鈾為驅動的釷燃料，技術可行，堆芯系統改動較小，安全性將更高，經濟性預期良好。據估計，其每年消耗約17噸二氧化釷，比使用天然鈾的增強型CANDU 6重水堆相比可再節省約15%的鈾資源。

　　研發“三步走”

　　綜合我國在相關技術領域的開發現狀、工業基礎以及國際上目前尚無釷堆運行的實驗情況，因此，要實現重水堆利用回收鈾和釷資源開發，可以采取“三步走”計劃：

　　第一步，以最小的代價為秦山三期運行重水堆開發一種替換天然鈾的NUE型回收鈾燃料。該步分為NUE燃料入堆輻照試驗和全堆應用兩個階段。完成后，兩臺機組運行發電每年將消耗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，試驗獲得國家核安全局的批準。2010年初，中核北方核燃料元件有限公司在現有重水堆燃料元件生產線上制造出26只合格的NUE燃料棒束，其中24只被裝入秦山三期1號機組輻照考驗，2011年全部卸出堆芯，2012年完成比對檢查。試驗證實兩種燃料運行性能相同。目前，NUE全堆應用已于2011年全面啟動，現已完成相關安全論證和輻照后檢查元件的運輸，生產線適應性改造、輻照后的熱室檢查以及回收鈾采購已在進行中，稍后將啟動全堆應用的安全取證。按計劃，預計到2014年，秦山三期兩臺重水堆發電可以使用NUE燃料。

　　第二步，面向大型后處理廠的回收鈾產品利用，開發直接利用回收鈾技術，進一步提高重水堆對回收鈾的利用效率，同時降低30%的乏燃料產生量。

　　基于現有的重水堆技術以及運行經驗反饋，開發一個成熟先進的，能夠綜合利用回收鈾以及釷資源的反應堆平臺，并能在同一堆芯平臺上使用回收鈾直接利用和低濃鈾/釷兩種燃料。這種堆型稱為先進燃料重水堆，目前已進入概念設計階段。它基于成熟的增強型CANDU 6技術，整合了最新核監管要求以及福島事故后的整改要求，安全上達到了三代標準，概念設計計劃于2014年初完成。

　　第三步，開發先進燃料重水堆實現釷資源核能利用的工程示范。在首臺先進燃料重水堆機組建成投產以后，進行低濃鈾/釷燃料輻照考驗，在獲得足夠的鑒定和考驗數據以后，即可實施。

　　重水堆的“新”定位

　　在中國核電發展的不同階段中，重水堆均可在其燃料循環體系中扮演一個重要的角色。

　　在熱堆發展階段，可以建立壓水堆-重水堆聯合燃料循環。在該聯合燃料循環中，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。據測算，每4臺百萬千瓦級的壓水堆足以為1臺百萬千瓦級的重水堆供應回收鈾原料，總體鈾資源利用率將提高20%。

　　在快堆發展階段，可以通過重水堆或者壓水堆利用釷作為燃料來適當延長熱堆的壽命。

　　在聚變堆發展階段，重水堆可以為其發展提供燃料——氚。

　　由此，圍繞我國的閉式燃料循環體系，可以根據不同階段采取不同的方案。

　　第一個階段，完成試驗或中試體系的建立和運作，積累技術基礎，為試驗快堆供應MOX燃料，同時，開發等效天然鈾技術，將中試廠的產品用于秦山三核兩臺運行重水堆上，促進國內的后處理技術的發展和完善。

　　第二階段，建立商用規模的閉式燃料循環體系，讓燃料循環起來。繼續發展壓水堆這條主線，同時建設大型后處理廠、MOX燃料生產線，適當建造少量利用钚作為燃料的快堆，建造與后處理廠產能匹配的先進燃料重水堆將回收鈾利用起來。同時，開發釷資源核能利用的工程技術，對釷燃料進行鑒定或者輻照考驗，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核燃料循環體系的技術研究。

　　第三階段，建立先進核燃料循環體系，實現核燃料增殖，同時，根據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。

　　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勢和較大的潛力，可以解決我國核燃料循環發展中的一些問題，為我國閉式燃料循環體系提供重要補充。目前，秦山三期聯合國內外研究和生產單位已進行相關工程應用技術研發，近期即可見成效。

來源：中國核工業報 　

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