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MOX燃料应用于快堆核电站是实现核燃料闭式循环的最重要途径,是将来的主要发展方向。目前,国外多个国家已经实现了MOX燃料在快堆和压水堆核电站上的成功应用,可有效提高铀资源利用率,取得了明显的经济效益、社会效益和环境效益。2004年国际上MOX燃料实际应用比例约占全部核燃料的2%,2010年这一比例达到约5%。我国MOX燃料应用方向研究要结合核能发展战略、压水堆核电站快速发展和示范快堆电站积极推进的现状,研究MOX燃料在快堆核电站应用的技术和经济可行性。
根据西方国家核燃料循环的发展经验,凡是走核燃料闭式循环路线的国家,进行MOX燃料工业开发和应用的3个必要条件是:第一,轻水堆或其它堆核电站总装机容量已达到1000万千瓦,卸出的乏燃料累积量持续增加,钚利用可以形成一定工业规模;第二,建成400~800吨/年乏燃料后处理厂(指核电自主开发的国家),可为MOX燃料生产提供源源不断的PuO2原料;第三,建成与后处理厂规模相匹配、厂址相毗邻的MOX燃料厂,尽量缩短PuO2粉末的库存时间,最好在6个月内制成MOX燃料,并在两年内入堆使用。
国际上MOX燃料技术研究始于20世纪50~60年代。美、比、法等国早期分别在ANL、BN和Cadarache实验室内掌握了MOX燃料制造技术。法、美率先分别于1970年、1971年在Rapsodie、SEFOR实验快堆内考验了MOX燃料组件。截止到20世纪80年代末,大多数建成的快中子堆(包括实验、原型和验证堆)都成功地使用了MOX燃料。
自1985年之后,有关国家为了消耗掉因计划发展快堆MOX燃料而贮存的大量钚,不得不转向MOX燃料在轻水堆(LWR)核电站的商业应用。1987年11月,法国第一批16个AFA型的17×17 MOX燃料组件入堆;1995年之后,每年有11批MOX燃料组件入堆。截至2004年底,全世界已累计生产各类MOX燃料约1840tHM。在欧洲商用PWR中辐照的MOX燃料单棒的平均燃耗达到了52GWd/t,在试验组件中最高达到了60GWd/t。
欧洲有40余座轻水堆获得了使用MOX燃料的许可证,其中30座反应堆装载了MOX燃料,还有20座刚取得应用许可证或许可证正在审批程序中。日本有20多座轻水堆计划使用MOX燃料。大部分反应堆的1/3堆芯装载了MOX燃料组件,有些新设计的第三代反应堆可装载50%的MOX燃料组件。日本甚至有一座反应堆被批准装载100% MOX燃料组件。MOX燃料的利用并不改变反应堆的运行特性,虽然反应堆必须为使用MOX燃料而对设计稍加改动,例如需要更多的控制棒。对于MOX燃料装载量超过50%的反应堆,需要进行重大设计改变。从各国发展计划看,预计2020年后MOX燃料将在压水堆核电站中获得广泛应用。
至今有4个国家,即法国、俄罗斯、日本和印度的快堆尚在运行之中。英、美和德国都曾发展过快堆和快堆MOX燃料,但后来有关设施先后关闭。近年来快堆MOX燃料又在俄罗斯、法国、比利时、日本、印度等国得到了快速发展,法国和日本的快堆重新启动运行,俄罗斯已决定在商业快堆中循环利用钚。美国启动了先进嬗变快堆(ABR)和相关嬗变MOX燃料的研究。全世界有20多个快中子堆装载了MOX燃料。
国外MOX燃料厂一般都经历了从小型实验室逐渐过渡到中间试验厂、扩大工厂、大规模工厂等几个不同发展阶段。截至2006年,全世界共建造了约24座MOX燃料厂,其中轻水堆MOX燃料厂和快堆MOX燃料厂各12座。不包括德国已关闭的两座MOX燃料厂,共有12座MOX燃料厂取得了生产许可证。
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