我国核燃料循环技术发展对策分析

2022-09-21 16:45:33 来源:写作指导

摘要:核燃料产业通常包括了铀浓缩、采冶、天然铀勘查、燃料元件制造等部分构成。随着科技创新和科技成果转化速度加快,我国核燃料产业进入了高速发展的时期,进一步推动了核能的发展,也进一步体现出了我国核能发展的水平和能力。当前,在我国核电发展的推动作用下,核燃料产业的发展水平也进一步得到了提升,在技术不断创新的过程中,为我国核电可持续发展提供了安全、技术上的保障。在经济全球化过程中,中国核燃料产业进一步加快了商用化和国际化的速度,在这个过程中我国也面临巨大的竞争压力。通过对全球核燃料产业当前发展形势进行分析的方式,能够为核燃料产业未来发展趋势进行有效判断,并在此基础上才能够采取有效的发展措施。本文主要对世界核能技术的发展历程进行了分析,着重分析了我国核燃料产业的发展现状,并探究了站在核能可持续发展过程中先进核燃料循环技术的作用,最后对我国核燃料循环后段技术的现场及其未来发展趋势进行了分析,希望为我国核燃料产业未来的发展不断夯实基础。

关键词:核燃料产业;核燃料循环技术;发展趋势

1世界核能技术发展历程

针对设计核能产业发展这一问题,国际上当前采用的依旧是美国能源部的提法。20世纪50~60年代推出的原型堆在学术界被称之为第一代;20世纪70年代推出的商用动力堆被称之为第二代;20世纪末期所推出的先进水冷堆则被称之为第三代。而在1999年提出的,预计于2030年以前实现的核能系统被称之为第四代,力求在2030年之前开发出六种第四代核电站新型反应堆。目前,世界上所运行的核电站的发电总量在2500亿千瓦左右,占世界总发电量的17%,而目前除了日本的核电站在使用第三代反应堆外,世界上大部分国家仍然在使用第二代反应堆。所以第二代核电的技术更加成熟,在安全性、经济性等方面有较高的保障,运行起来也比较稳定。第三代核电在第二代核电的升级版本,与第二代核电相比,其优势在于有更好的安全性和经济性特征,所以在应对重大事故的时候,可以避免将设备故障转变为反应堆事故,进一步降低了堆芯熔化事故的概率。核电之所以从第二代向第三展,是建立在相关核电技术趋于成熟的基础上,在技术不断创新和改进的过程中,核电的安全性与经济性得到了进一步提升,使得核电技术在市场上具有更强的竞争能力。第四代核电也是在第三代核电的基础上发展起来的一种先进系统,虽然目前仍然未实现,不过我们已经明确了其需要具备什么样的特点(循环经济)。从2002年在东京召开的关于第四代核电站的会议来看,第四代核电站基本具备资源可持续性、高度安全性和良好经济性的特点,同时还需要具备强大的防盗和防非法转移的特点,这就进一步为第四代核电站的发展指明了一个方向。近年来,IAEA每一年都会对未来20~30年的发展情况进行预测,结果表明未来国外核能发展情况不容乐观,持续保持装机稳中有增难度较大,所以在国际核燃料市场中的竞争压力并不会降低,而我国核燃料产业想要保持竞争优势未来还需要面临非常严峻的挑战。

2我国核燃料产业发展现状

2.1铀浓缩产业发展质量持续提升

我国核燃料产业在发展的过程中,已经建成了具备安全自主知识产权的铀浓缩离心机大型商用示范工程,单机分离效率得到了大幅度提升,进一步提高了我国铀浓缩的整体技术水平,促进了铀浓缩经济性的提升。在我国铀浓缩工程模块化建设水平不断提升的过程中,从工程的设计阶段到后期竣工阶段,时间可以控制在3~5年左右,在我国核能规模化发展的过程中,可以更好地满足对铀浓缩的需求。2018-2020年期间,我国新开工核电机组对铀浓缩的需求进一步增加,所以在2020年我国已经开始建设一条新的铀浓缩生产工程,并积极对铀浓缩运行进行了改进,铀浓缩企业进一步实现了标准化生产,降本增效政策进一步落实,使得铀浓缩企业在国际上的竞争力大幅提升。

2.2核燃料加工生产线保持安全稳定运行

从目前的情况来看,我国在南北地区各有一个重要的核燃料制造基地,配置了重水堆、压水堆、高温气冷堆等重要燃料组件生产线。在我国核电快速发展的过程中,核燃料元件生产的稳定性得到了进一步提升,已经能够满足我国核电发展的需求。在N36锆合金铸锭、TREX管坯、管材等先后通过合格鉴定之后,锆合金材料批量化产品也成功线下,同时也通过了产品合格鉴定,N36锆合金材料的质量得到了更加稳定的保障,同时先进核燃料生产的工艺水平也得到了大幅度的提升。以压水堆燃料组件为例,国内企业积极推进了自主CF系列核燃料元件研发及其产业化应用,在这个过程中CF2组件产业化应用已经取得了实质性进展,同时具备了商用化的条件。尤其是在2020年,我国CF2组件产业化应用又取得了新突破,“华龙一号”海外首堆CF2核燃料组件按时交付同时进行了装料。截至2020年底,中国核工业集团已经完成了环形燃料入商用堆考验组件设计,疏通了环形燃料组件整个制造、组装和检测的流程,突破了堆芯安全相关的关键临界热流密度试验技术,实验数据与预期数据切实相符。中国核工业集团所开展的涂层锆合金耐事故燃料的研发也非常顺利,制备完成全尺寸Cr涂层管,同时核安全局也提交的相关的试验入堆辐照申请。

2.3锆合金产业自主创新加速

关于我国先进核燃料方面的问题,“十三五”期间,中国核工业集团自主研发出了一种名为锆合金N36的材料,这一成果标志着我国先进核燃料材料已经正式从研发阶段转化成了商业化供应阶段,近年来,在我国核工业不断发展的过程中,我国核级海绵锆产业的发展也得到了十足进步,国内目前已经建成了三家具备生产核级海绵锆的厂家。虽然我国核级海绵锆的产量并不高,但是其生产成本很低,核级海绵锆的质量也比较高,生产技术、经济指标在国家上也处在领先地位,因此在2020年我国已经成功向俄罗斯出口一批核级海绵锆。坚持以科技驱动为基本,坚定聚焦关键技术,切实打造科技成果转化高端平台,打造一体化的产业发展转化链,研判新阶段重点,提升整体发展的活力。积极通过巡检机器人技术、智能视频监测技术等构件工厂三维建模、数字孪生技术等的研究分析,积极推进现代化、智能化DCS平台发展,实现同心多元发展。

2.4核燃料循环后段

在核能发展中核燃料循环体系是非常重要的一个部分。我国长期以来,始终坚持闭式核燃料循环政策,致力于提高铀资源利用效率,同时加强对放射性物质的治理力度。目前,中国的核燃料循环系统尚存在后处理能力不足的问题,一些关键技术和设备不能独立,与法国、俄罗斯、英国和日本等核大国相比,仍有很大差距,加快核燃料循环后期的发展是中国核电发展的现实要求。后级能力与核电发展密切相关,属于相互依存关系。“十三五”期间,我国正逐渐加强对核燃料的处理,包括了运输、储存、后处理等工序,其中就涉及了放射性物质的处理,并构建了相应的处理体系,在核燃料处理的各个方面都取得了实质性进展,实现了对核燃料的安全管理,进一步促进了我国核能的可持续发展。以我国压水堆核电站为例,2020-2021年之间,总共生产了乏燃料6513tHM,目前还有5957tHM储存在堆水池当中、有110tHM储存在核电厂的干式贮存设施当中。为了对核燃料进行安全管理,为核电站的稳定运行提供安全保障,我国进一步加强了对核燃料运输、贮存等环节的管理,进一步对核燃料循环体系进行了完善。

3先进核燃料循环技术对核能可持续发展的作用

3.1核燃料循环概述

核能的生产技术与超常规的能源生产技术相比存在较大的差异。核燃料循环主要由铀矿开采、铀矿精炼、铀浓缩等环节构成。需要将开采到的铀矿进行精炼和水冶,从而产生铀浓缩物U3O8,随后需要使用离心法或气体扩散法等方法,将UF6中的铀-235同位素进行浓缩,确保能够满足反应堆对铀浓缩的需求。制造反应堆所需的燃料,将要将UF6转化成为UO2,同时将UO2压制成小片氨,并封装到燃料棒中,最后建成燃料组件,随后利用反应堆进行发电。燃料在反应堆中进行燃烧后需要对其进行处理,将燃烧过后的燃料中的残存铀取出,便于制作出新的燃料元件。随后需要对放射性废物进行处置,包括超铀元素废物、高放废液玻璃固化废物等的处理。核燃料在上述各个环节当中都能够进行运输。

3.2核燃料闭式循环与核能可持续发展的关系

实现核能可持续发展,需要解决两个方面的问题:首先是需要在实现铀资源利用最优化的基础上,减少核废物的排放。从当前的国际水平来看,已经实现已经由研发阶段转化为商业运用阶段的热对燃料循环,部分已经实现了分离钚与铀的再循环,从而有效提高了铀资源的利用水平和效率,在减小核废物堆放体积方面展现出了良好的效果。20世纪90年代初期,国外已经开始了对先进核燃料循环的研究,进一步推动了核燃料循环体系的发展。该研究项目主要是建立在热堆燃料循环的基础上,同时实现了与未来的快堆或加速器驱动系统相结合。在逐渐引进了快堆燃料循环、ADS燃料循环等技术后,未来先进的后处理技术能够实现对快堆-ADS乏燃料和热堆ADS-乏燃料的处理,从而实现Pu、U与Ma的闭合循环,在充分利用铀资源的过程中,也能够将核废物的毒性、体积降到最低。比如热堆核燃料闭合循环的方式,主要是通过后处理的方式将热堆乏燃料中的铀和钚提取出来,随后铀和钚会重新进入热堆中进行再循环,以此来提高铀资源的利用效率。在热堆电站乏燃料当中,铀的含量大概在95%左右,而钚的含量大概在1%左右,剩下4%主要由Ma和Fp组成。在经过后处理之后,所得到了贫化铀与钚混合,最终生产MOX燃料。该燃料中钚的含量通常会受到热堆中反应性的限制,因为Pu-239在发生裂变反应的时候所发射的缓发中子数远远比U-235所发射的耕地,所以说在MOX燃料中钚的含量不能够过高,避免出现反应堆失控的情况。

4我国核燃料循环后段技术现状及未来发展趋势

4.1后处理技术

核燃料后处理分离相当复杂,对操作的放射性水平要求非常高,所以后处理技术的操作难度非常大。乏燃料后处理PUREX流程最开始针对核武器生产中的钚而发展的,随后在动力堆乏燃料后处理中也采用该流程,不过在燃耗不断增高的过程中,动力乏燃料后处理的技术难度进一步得到了增强。最早的商用后处理厂由美国建成,20世纪70年代末,美国政府以避免核扩散的理由将商用后处理厂进行了冻结,不过当时美国也没有停止对后处理技术的研究。在后续一段时间里,英国、苏联、印度等国先后也建成了商用后处理厂。截至2020年,全球商用后处理厂的产能在4000t/a左右,占全球核电站乏燃料年泄出量的1/3左右。从目前的情况来看,世界各国已经逐渐积累了较为成熟的运营经验,后处理技术也逐渐趋于成熟。为了尽快适应第四代核电站发展的需求,对后处理厂的经济学、安全性和稳定性提出了更高的要求,所以在未来还需要进一步对后处理厂的技术工艺、设备等进行优化。在这样的情况下,不仅需要对后处理PUREX流程进行优化和改进,切实考虑到Ma与LLFP的分离和嬗变,国际上提出了先进后处理的概,分别包括了后处理高放废液分离和全分离两种方案。全分离方案主要是站在铀、钚、Ma和LLFP的角度出发,推出了一种新的分离流程,不过全分离方案的操作难度较大。后处理高放废液分离方案,是对后处理PUREX流程进行改进,将三价Ma从高放废液中进行分离。目前,国际上主要采用的是后处理高放废液分离方案,该方案的优势在于,能够基于现有后处理厂建设高放废液分离工厂,并且相关技术已经区域成熟,实施起来难度较低,对资源、资金的需求量相对较低。

4.2快堆燃料循环技术

达到以快堆为引导的闭合燃料循环商用化的目标,是我国实现大规模核裂变能的重点,预计在2030年之前,核工业发达国家的快堆和先进燃料闭合循环技术就能够初步实现商业化。应用快堆燃料循环技术,包括了快堆燃料制备和快堆燃料后处理等流程。因为快堆燃料的燃耗非常高,同时其释热率与放射性辐射非常高,所以必须将传统的水法后处理转化为干法后处理。干法后处理的优势在于,试剂具有更好地耐辐射性能,具有防扩散、经济性的特点,相关设备操作起来也比较简单。长期以来,国际上都将干法后处理技术当成未来乏燃料后处理的候选技术,不过很多国家目前仍然还处于实验阶段,而俄国、美国已经初步实现了半规模化,在国际领域中处于领先地位。关于快堆燃料的问题,MOX燃料技术算得上是一种比较成熟的技术,不过该技术的增殖性比较差。所以为了进一步缩短增殖周期,还应当加强对金属合金燃料的研究,如铬金属就是最典型的代表。从目前的情况来看,也只有美国掌握了加工U-Pu-Zr金属合金燃料的技术,日本当前也在借鉴美国的成功经验,加强对金属合金燃料技术的研究。而针对快堆核能系统的研发,1999年日本启动了针对商用快堆循环可行性的研究计划,充分利用快堆循环的优势,在保证安全性的基础上增强了该技术的经济性和竞争性优势,进一步明确了商用快堆循环的发展方向,其开发思路是快速打通快堆循环系统的所有节点,为实现快堆循环系统商用化奠定良好的基础。相比而言印度的快堆循环研究计划也不是仅限于对快堆进行研究,而是加强了对快堆循环系统所有环节的研究,在燃料制备、后处理、燃料再循环、核废物处理、等方面取得了实质性成就。

5结语

国际上致力于在2030年之前建成第四代新型核电站,我国也同样有这样的目标。不过从目前的情况来看,我国核燃料循环后段技术的基础还比较薄弱,而想要实现核燃料产业的可持续发展,未来还需要面临巨大的挑战。所以我们还需要加强对后处理技术的研究和利用,在建立商用化后处理厂的目标引导下,不断提高后处理运行能力,不断在建设大厂的过程中积累丰富的经验。在实际的发展过程中也需要做好顶层设计,积极加强政府主导,落实相关法律法规制定,促进政企融合发展,实现核处理后段能力建设,同时,我国还需要积极汲取国外先进的技术和经验,也要铭记国外失败的教训,集合国内外研发成就,积极推广核文化宣传工作,强化立法工作,为我国核燃料产业发展奠定扎实的基础。

参考文献

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[2]朱学蕊.“十四五”核能产业要着力做好这些事[N].中国能源报,2021-03-22(012).

[3]叶国安,郑卫芳,何辉,等.我国核燃料后处理技术现状和发展[J].原子能科学技术,2020,54(S1):75-83.

作者:黄洁丝 单位:中国原子能工业有限公司