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俄罗斯核燃料的全球竞争态势

北极星电力网新闻中心  来源:中国核工业杂志  作者:李玉东  2019/8/8 9:30:23  我要投稿  
所属频道: 核电   关键词: 核燃料 俄罗斯 VVER

北极星核电网讯:在电价低迷和核燃料市场供大于求的背景下,全球核燃料市场竞争尤为激烈。以VVER市场为例,西屋公司等西方燃料集团不断挤压俄罗斯传统市场领地,已抢占乌克兰核电市场半壁江山。为应对市场竞争,俄罗斯推出了方形、耐事故等一系列具备竞争能力的核燃料。

提升全球竞争优势能力、增加国际市场份额是俄罗斯国家原子能集团确定的发展目标。其下属核燃料板块(TVEL)以全球 “领先一步”为根本宗旨,面向国际市场和未来可持续发展目标,集中优势资源,推动竞争性核燃料新产品研发,全力竞争国际市场,已成为全球三大核燃料制造和供应商之一。截至目前,俄罗斯核燃料市场主要包括全球近80台核电机组、30座研究堆和俄核动力舰船,占全球市场份额的17%,铀浓缩业务更是占到36%,10年期订单100余亿美元。

提升市场竞争力、国际视野和创新驱动是俄罗斯核燃料板块的主要发展思路。其发展方向重点聚焦在传统VVER市场地位的巩固、国际压水堆新市场的开拓、再生铀燃料的利用、闭式燃料循环的解决方案、未来燃料市场的能力储备等。01

01

巩固传统市场控制地位,升级换代VVER机组核燃料

围绕全球在运VVER机组的经济性提升目标,基于成本优势和技术研发能力,考虑各核电站功率提升和长周期换料需求,TVEL制定了核燃料竞争性提升和零故障计划。针对VVER-440机组,TVEL推出了2套核燃料产品方案。一是升级通用的二代核燃料,将组件内铀量增加,并优化水铀比。捷克杜卡万、匈牙利帕克什和芬兰洛维萨核电站采用了该方案。其中,匈帕克什核电站燃料循环长度已达15个月。二是研发了新一代PK-3核燃料,其循环长度在108%额定功率下可达15~16个月,俄克拉核电站正在使用该型号燃料。

针对VVER-1000和VVER-1200机组,俄在其УТВС等传统核燃料技术的基础上于2012年推出了ТВС-2М系列和ТВСА系列核燃料,主要通过增加铀量和加强结构刚度来解决客户关心的安全性保证和经济性提升问题,保障各VVER核电站功率提升和18个月换料周期目标的实现。

2012年俄开始试生产ТВС-2М型核燃料并在巴拉克夫核电站2号机组试用,之后普遍推广。目前,ТВС-2М核燃料已在俄巴拉克夫核电站4台机组、新瓦核电站3台机组、我国田湾核电站4台机组使用。2019年6月,俄同印度库旦库拉姆核电站签订2台机组ТВС-2М燃料供货合同,计划2021年入堆,以实现18个月换料周期目标。

ТВСА型核燃料主要用于中东欧和俄国内特定客户。2018年,保加利亚科兹拉杜伊核电站使用ТВСА-12型燃料,实现了104%的功率提升目标;同年,捷克特梅林核电站采用了ТВСА-Т mod.2型核燃料;另外乌克兰各电站和俄加里宁核电站也在使用ТВСА型核燃料。

目前,俄在ТВС-2М燃料的基础上又研发了ТВС-4新一代核燃料,增加了铀装量,预计可使发电成本下降2%~4%。俄又提出了使核电安全性和经济性提升的核燃料技术新方案,将浓缩铀的富集度提高至5%以上,燃料包壳使用其它合金替代锆合金。

02

聚焦拓展国际压水堆市场,集中研发方形核燃料

2002年俄开始研发方形燃料,目标针对的压水堆市场。其技术主要基于VVER燃料制造经验,采用锆合金包壳,并加强了燃料支撑和定位格架。

2011年2月,俄同瑞典大瀑布核燃料公司签订了4组或8组试用方形燃料供货合同,并于2014年装入林格哈里斯3号机组,2018年5月完成了3个燃料循环。2016年11月,俄同该公司签订了核燃料商用正式供货合同,将于2021年供货,正式进军欧洲压水堆核电站市场;2017年6月,俄又同大瀑布公司签订了林格哈里斯4号机组试用4组或8组方形核燃料供货合同。

在开发美国市场方面,俄重点聚焦西屋公司设计的35台3、4环路反应堆。2016年7月,俄同美国GNF-A公司签订了联合推动方形燃料进入美国市场的合作协议,并同美一家核电运营商签订了燃料试用合同,计划2019年向美国供货,实现了对美国市场的首次突破。

03

研制REMIX燃料,以再生铀技术实现降本增效

再生铀核燃料已在俄使用多年,主要用于大功率石墨堆和克拉核电站VVER-440机组,在加里宁核电站1台VVER-1000机组也已试用。通过对再生铀资源的提取利用,可有效减少对天然铀的使用,并达到增加效益和节约燃料成本的目标。

2014年,俄赫洛斌镭研究院提出了REMIX核燃料研发方案,使用从乏燃料中提取的未裂变的再生铀钚混合物,并添加部分铀。俄已掌握再生铀提取技术,工艺中不使用氢和氨,可减少液体废物,取得了发明专利。俄TVEL、反应堆研究院、核能康采恩、水压机设计院、库尔恰托夫科学院、无机材料研究院等10余家单位参加了REMIX燃料联合研发工作,量产后用于俄在运的VVER机组并向国际市场推广。

2016年,俄核反应堆研究院试验了8根REMIX燃料棒,并于2017年9月进行堆后分析,结果满意。

2016年5月,俄将REMIX燃料元件混装至ТВС-2М燃料组件,在巴拉克夫核电站3号机组考验。2019年5月,TVEL表示3组REMIX燃料试验验证结果良好,并计划再考验一个周期,将于2020年初进行堆后分析,2030年前后正式使用。

04

服务闭式燃料循环目标,研发铀钚混合氮化物燃料(СНУП)和MOX燃料

燃料闭式循环是俄明确的核能技术发展路线。为此,俄制定了热中子堆与快中子堆双元发展战略与核燃料闭式循环“突破”创新计划,希望通过VVER热中子堆和先进快堆双元发展以及所掌握的闭式燃料循环技术,实现更高安全性和更具竞争力的核能发展目标。

落实“突破”科学创新计划,俄于2011年开始在西伯利亚化学工厂着手研发铀钚混合氮化物燃料(СНУП),建设БРЕСТ-ОД-300铅冷快堆。2018年2月,俄研发出铀钚混合氮化物燃料,并在BN-600和BN-800机组进行了考验试用。目前“突破”项目的燃料制造模块已建成,燃料安全论证也已完成,后续计划用于BN-1200商用堆。另外铅冷快堆也正在建设,计划2026年建成启动。

MOX燃料是俄实现闭式燃料循环目标的另一重点发展方向,主要使用贫铀和氧化钚,通过旋流研磨、压制、烘烤等工艺制造。据报道,俄已掌握MOX燃料关键技术,具备工业化生产能力。

2015年,俄核燃料后端企业矿山化学联合体开始工业生产MOX燃料。2016年3月,首批MOX燃料正式装入俄BN-800快堆机组(1/5堆芯),目前已达90组,并计划2019年堆芯全部使用MOX燃料。后续BN-1200快堆也计划采用MOX燃料。

05

面向未来全球核电市场,研发耐事故核燃料

2011年福岛核事故之后,俄TVEL下属无机材料研究院便牵头负责耐事故核燃料的研发工作,主要聚焦燃料包壳材料和芯块,包括锆合金包壳的铬涂层、42XHM铬镍合金包壳、复合材料(碳化硅等)、铀钼燃料等。

在包壳材料方面,俄主要研究锆合金铬涂层和42XHM铬镍合金等方案。其中,锆合金铬涂层方案可阻断锆金属同一回路冷却剂的接触,进而减少严重事故情况下氢气的产生,该方案的实施也最为快捷;铬镍合金包壳方案可以完全替代锆合金,但需要解决中子捕获截面大和材料论证等问题,耗时较长;复合材料是未来趋势,但其脆性等问题是需要突破的难点。目前,俄已掌握锆合金包壳耐热涂层和非锆材料焊接工艺,并完成了第一批铀钼燃料芯块的生产。

2018年2月TVEL确定了耐事故核燃料研发计划,同年5月TVEL宣布获得西方某国的订单。

2018年12月27日,俄生产了2组耐事故核燃料试验组件,燃料分别采用传统的二氧化铀和铀钼芯块,燃料包壳分别采用锆合金加铬涂层和42XHM铬镍合金。目前,2个组件正在俄反应堆研究院的研究堆进行试验,年底将有结果。后续计划于2020年之前在俄核电站一台运行机组上进行试验。

除此之外,俄还计划生产、试验铀硅芯块。

(作者单位:中核江苏核电有限公司)

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