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《中国能源中长期(2030、2050)发展战略》(电力-油气-核能-环境卷)明确提出,“我国应争取2025年开始实施由开式循环向闭式循环发展,并进一步向快堆增殖核燃料的增殖循环发展,争取2035年前后,开始实现快堆增殖循环的闭合,2040年前后初步具备能增殖核燃料的快堆增殖系统的产业化发展。”
闭式燃料循环是我国核电可持续发展的战略选择。但从现实情况来看,我国的闭式燃料循环技术路线尚未全部打通,后处理中试厂已经建成但尚未形成生产能力,小型MOX燃料生产试验线尚在建设当中;主要选用铀-钚循环以及钚的循环利用,对占乏燃料94%左右的回收铀的再利用未加任何考虑;缺乏国家层面上的具体实施规划和投入,同时,快堆技术路线还未最终选定,上述路线图在执行上存在很大的不确定性。
热堆的安全和规模是我国核电发展“三步走”的基础。当前正值热堆规模发展阶段,且热堆发电资源消耗较大。要保障铀资源供应安全,除坚持开发国际国内两种资源、两个市场以外,还应考虑热堆的铀资源利用率提升以及开发备用核能资源。根据国际经验,回收铀可在热堆上再利用,性能与低浓铀相当,能有效提高热堆铀资源利用率。而且,我国有丰富的钍资源储量,其利用潜力巨大,是一种重要的潜在核能资源。
作为一种成熟的商业堆型,重水堆在回收铀和钍资源利用方面具有较大的潜力和优势,可以在燃料循环中发挥重要作用。目前,我国欠缺回收铀再利用和钍资源核能利用相关的工程技术和应用经验,可以利用重水堆作一些有益的探索与研究。
“回收”与“降耗”
人工核素的存在以及铀组分变化等因素的影响,增加了回收铀在利用上的难度。一般来说,回收铀在压水堆上的再利用,一般需要与浓缩铀混合(简称“高混”)或者再浓缩。高混对节省铀资源意义不大,不适合在我国实行;再浓缩导致其放射性水平较高,辐射防护要求较高,制造工艺比较复杂,成本明显高于天然铀燃料。
与之相比,重水堆利用回收铀的效率则较高。据估计,压水堆利用回收铀可以将效率提高10%到12%,而重水利用回收铀可以将铀资源利用率提高20%以上。同时,重水堆利用回收铀的经济性预期好于使用天然铀燃料。因此,重水堆是目前唯一经济有效利用回收铀的途径。
目前,重水堆利用回收铀有两种方式:一种是与少量的贫铀低混到其核特性与天然铀等效,称为NUE;另外一种是直接使用,其性能相当于稍浓铀。据研究,NUE燃料适合在现有运行重水堆上使用,无需对堆芯系统作任何修改;直接利用回收铀燃料有助于提升重水堆的安全性能,但需要对反应堆系统作少量修改。
另外,对于钍资源利用发而言,重水堆容易利用钍作为燃料,同时也是最为可能实现自持循环的热堆堆型。2008年,在国家能源局主持召开的钍资源核能利用专家咨询会上,部分与会专家建议用重水堆作为我国钍资源核能利用技术研究的突破口。为此,2009年,秦山三期联合国内外生产和研究单位开展相关初步可行性研究。研究结果显示增强型CANDU 6重水堆上使用以富集度为1.6%的低浓铀为驱动的钍燃料,技术可行,堆芯系统改动较小,安全性将更高,经济性预期良好。据估计,其每年消耗约17吨二氧化钍,比使用天然铀的增强型CANDU 6重水堆相比可再节省约15%的铀资源。
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