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既然如此,为何回收铀被“弃而不用”?
“压水堆用它没有经济性。”(科研处处长)乔刚表示,“目前世界上在运主流堆型为压水堆,要利用回收铀,需要经过再浓缩,且浓缩后的回收铀放射性水平比天然铀高几十倍,导致其在制造、运输和使用方面的成本加大,远高于直接采用天然铀的成本。”
但是,压水堆的“得不偿失”,却正是重水堆的优势。重水堆回收铀项目研发正是超前考虑到这个问题,将核燃料闭式循环的缺口——回收铀做了利用,实现了闭式循环的真正闭合。
“回收铀用在重水堆上,不需要再浓缩,放射性也只比天然铀高2到3倍,完全可控,燃料的经济性总体低于现有的天然铀燃料成本。”乔刚说。
张振华指出,我国是世界上少数几个既有压水堆又有重水堆和后处理的国家,实现回收铀在重水堆上的循环再利用,对提高铀资源利用率、减轻核燃料供应压力、构建核燃料闭式循环体系具有重要意义。
工程应用科学推进
以最少的天然铀资源,发最多的电,同时产生最少的放射性废物,核燃料闭式循环路线的目的再清晰不过。而这也正是重水堆“吃”压水堆回收铀所能发挥作用的关键所在。
然而,秦山核电回收铀研发团队创新性地提出“等效天然铀”概念,开辟出一条回收铀工程应用的渐进式新路。
等效天然铀燃料是一种与天然铀在中子物理学上等效的回收铀燃料,由回收铀和贫铀混合而成,可实现压水堆回收铀在重水堆上经济高效利用,将铀资源利用率总体提高20%左右。此种方法可简化很多问题,国内在制造和使用方面都不存在重大技术问题。
“先以等效天然铀方式利用回收铀,取得一定的经验之后再逐步实现经济效益更高的回收铀直接利用。”张振华认为,这种渐进的方式,最符合实际和科学性。
正是这样的“技术妥协”,为回收铀入堆接受考验,以及全堆应用争取到了机会。
2009年,回收铀研发项目被国防科工局列入国家核能开发项目,并提供科研经费支持,年底国家核安全局批准秦山三核关于等效天然铀燃料入堆示范验证的申请。2010年,国防科工局将“等效天然铀技术研发和入堆示范验证项目” 列入了国家“十二五”核能开发项目,并提供了经费支持。
2009年
回收铀研发项目被国防科工局列入国家核能开发项目,并提供科研经费支持,年底国家核安全局批准秦山三核关于等效天然铀燃料入堆示范验证的申请。
2010年
国防科工局将“等效天然铀技术研发和入堆示范验证项目” 列入了国家“十二五”核能开发项目,并提供了经费支持。
2010年3月
国际上首次回收铀燃料棒束入堆示范试验结果显示:利用相同量的回收铀,重水堆可比压水堆多发电32%。之后,首批卸出的示范棒束和全部卸出的24根示范棒束水下检查表明:天然铀棒束和回收铀棒束辐照性能一致。
这样的结果,让张振华和研发团队激动不已,也看到了更多的希望。而下一步,就是推进实施工程应用两步走战略:第一步开发等效天然铀技术,用于秦山三期运行的重水堆;第二步结合重水堆新建项目,开发回收铀直接利用技术。
2013年,国家能源局将“压水堆回收铀在商用重水堆全堆应用项目” 列入国家能源自主创新项目,提供了经费支持。重水堆对回收铀的经济高效利用产业化将实现。
据记者了解,一旦全堆应用实施以后,秦山两台重水堆发电每年将消耗140吨回收铀、60吨贫铀,每年为国家节省200吨天然铀资源,相当于省出一个中型铀矿的年产能。而且,全堆应用后,除去回收铀原料和生产线改造等各种成本,秦山三期两台重水堆还可以一定的经济收益。
对于重水堆新项目,张振华告诉记者,距离秦山核电6.9公里处的长山厂址最优,未来考虑先新建两台先进燃料重水堆(AFCR),完成回收铀直接利用技术研发应用。但他也表示了担忧,“如果新建项目进展缓慢,我们在国际重水堆回收铀领域的前沿性研究工作将受到影响,回收铀的价值也就无法凸显。”
据科研人员测算,四台压水堆机组所产生的回收铀,正好够一台重水堆机组“消化”。这种四加一模式,也正好是热堆闭式循环的体现,对铀资源的高效利用得到了业内人士的普遍认同。
而在未来,重水堆与后处理的配套性将逐渐体现。以200吨后处理厂为例,其可处理约8台压水堆乏燃料,回收铀可供3台先进燃料重水堆使用,回收钚可供2台快堆使用。
钍资源利用发力
重水堆在核燃料循环中的特殊地位已经凸显,而钍资源开发利用是其更为长远和重要的优势。
据了解,我国钍资源储量丰富,内蒙古白云鄂博矿区主东矿中钍资源储量约占全国的77%,但利用率几乎为零。目前,核能利用是钍资源利用的主要方式,尤其是重水堆独有的燃料灵活性,更易实现钍燃料的工程应用。
2008年,国家能源局提出“以重水堆核电站为突破口进行钍资源的核能利用”。2009年7月,秦山三核联合国内外三方完成重水堆利用钍燃料可行性研究。对此,之后的专家咨询会得出结论:钍燃料重水堆工程上可行,安全上有增强,经济性预期良好。“考虑到世界上还没有钍堆,以及国内相关基础技术还非常薄弱,应考虑分阶段渐进发展来实现重水堆对钍资源的核能利用。”
而根据张振华和其研发团队的想法,直接利用回收铀技术将为钍燃料示范提供最佳实践平台。
钍资源工程应用采用与回收铀应用相同的模式:在新建的先进燃料重水堆(AFCR)实现直接利用回收铀作为燃料时,先将钍燃料入堆做辐照考验,然后再过渡到钍燃料直接利用。
在研发团队对重水堆在燃料循环体系中的定位中,资源利用和开发呈现出渐进式:近期,也就是到2020年,重水堆直接利用回收铀,提高铀资源利用效率,提高后处理经济性;作为试验平台,开展钍资源核能利用研究。中期,2020-2030年,重水堆进一步利用回收铀实现钍资源核能利用,开辟新的核燃料来源;开展钍铀循环研究,减轻快堆发展的压力。2030年之后,重水堆利用压水堆运行所积累的回收铀发电;钍铀循环作为铀钚循环的备用手段;为聚变堆发展提供核燃料-氚。”
“鉴于重水堆在回收铀和钍资源利用方面的优势,充分考虑其在我国闭式核燃料循环体系中能起的作用,给予科学定位,将有利于维持我国的核电规模持续发展。”张振华最后强调。
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