快堆燃料循环与金属燃料

作者:查重猫     发表时间:2021-04-07 23:32:13   浏览次数:21



  摘要:快堆作为第四代先进核能系统中最重要的反应堆型,有望显著提高铀资源利用率和减少核废物量,快堆及与其密切相关的核燃料循环和金属燃料技术越来越受到人们的广泛关注.本文综述了快堆(特别是行波堆)、核燃料循环及金属燃料技术的研究进展,重点介绍了美国的行波堆和金属燃料技术,并阐述了行波堆初期采用“一次通过式”简化燃料循环对于快堆早日实现大规模商业化的重要意义.

  关键词:核能;核燃料循环;快堆;行波堆;金属燃料

  在当前的商业轻水堆中,天然铀资源的利用率不到1%,储存在大量贫铀和乏燃料中的巨大能量可以成为一种宝贵的资源,但遗憾的是这种资源仍未开发利用甚至经常被当作废物对待.从核能开发早期形成的核燃料循环仍是一个非常复杂、昂贵、耗时的过程,其发展战略和路径已经过时.虽然出现了一些具体改进方案,但还是难以大规模实现推广.

  行波堆通过优化堆芯中子经济性并提高燃料燃耗,具备变成开式燃料循环快堆的潜力,可以大幅简化传统燃料循环.该技术使核能发电在后处理经济可行前即可提高资源利用率,这是一个极好的从创新概念变成颠覆性技术的范例.金属燃料是发展行波堆和先进快堆的核心技术,快堆燃料将从现有的氧化物,逐步改为混合氧化物,最终过渡到增殖和安全性能最高的金属燃料.目前的金属燃料离行波堆实现足够潜能的要求还有一定差距.

  在本文中,我们综述了国内外专家对快堆(特别是行波堆)核燃料循环与金属燃料的相关研究和评论,重点介绍了核能与核燃料循环中的一些创新概念,并加入了作者的解读和展望,旨在与读者分享和切磋.

  1快堆与行波堆

  1.1快堆

  快中子反应堆(简称快堆)是以(高能)快中子引起核裂变链式反应的反应堆.快堆是第四代先进核能系统中最重要的反应堆型.快堆运行时,一方面消耗易裂变燃料如铀235(U-235),另一方面又产生新的易裂变燃料如钚239(Pu-239).当产生的易裂变燃料多于消耗的易裂变燃料时,易裂变燃料就得到了增殖,这类快堆称为快中子增殖反应堆,其转换比大于1[1-2]

  .快堆与轻水堆(热堆)的一个主要区别是:轻水堆消耗的核燃料主要是U-235,而快堆消耗的核燃料主要是从U-238转变而来的Pu-239.天然铀中,易裂变的U-235只占约0.7%,丰度非常低,而不易裂变的U-238占到99.2%以上.目前,轻水堆对铀资源的利用率只有约1%或更低,而快堆可以将利用率提高30~60倍[1-3].

  发展快堆主要有两方面的重要意义:一是提高铀资源的利用率,保证铀资源的长期稳定供应,二是可以焚烧和嬗变轻水堆乏燃料中的长寿命高放射性废物,减少核废物量[1].全世界快堆已有350多堆年运行史,快堆燃耗达到130GW·d/t,热电转化效率达43%~45%.世界上许多国家已有快堆发展战略,快堆相关研发已经很深入[4].

  1.2行波堆

  行波堆(如图1)不同于传统快堆.行波堆通过对异质堆芯燃料的巧妙分布和运行控制,核燃料从一端低浓缩铀启动源点燃,多余的裂变中子将旁边不易裂变的U-238转换成易裂变的Pu-239,当达到一定浓度时形成自持裂变反应,同时开始焚烧已在原位生成的燃料,形成行波.行波以增殖波前行、焚烧波后续的方式在燃料中以每年几厘米的速度自持传播,一次装料可以连续运行数十年.形象地说,行波堆像蜡烛,用火柴点燃后渐渐烧尽,并可以自身点燃其他蜡烛.行波堆技术可将铀资源利用率提高一个数量级,废物量减少一个数量级,并使核燃料循环大大简化.行波堆是可以首先在开路燃料循环中用低浓铀启动的快堆[4].(a)行波堆模型图;(b)行波堆运行40年后堆芯增殖焚烧区;(c)行波堆运行40年后堆芯不同轴向位置的增殖焚烧速度.图1行波堆Fig.1Travelingwavereacto

  行波堆应用无需大规模燃料后处理和长期储备r钚,只需初期使用低浓缩铀点燃即可无限期使用天然铀、贫铀或轻水堆乏燃料,变废为宝,实现“核燃料一次性实时原位增殖焚烧”,简化复杂昂贵的核燃料循环,并且降低核扩散风险.行波堆可以大规模在全球推广应用,充分实现核能成为化石燃料后时代清洁无碳排主流一次能源的巨大潜力.行波堆的开发成功将对世界范围内的核能发展,甚至全球能源政策和气候变化应对策略,产生划时代的推动和促进作用,意义深远.

  2核燃料循环

  2.1核燃料循环概念

  核燃料循环是人类应用核裂变能的基础.核燃料循环指从铀矿开采(对于铀/钚燃料循环)到核废物最终处置的一系列工业生产过程.回收的核燃料可以在热堆中循环,也可以在快堆中循环,统称“闭式”核燃料循环.如果乏燃料不进行后处理而直接处置,则称为“一次通过式”核燃料循环.基于“一次通过式”和“闭式”核燃料循环的概念,目前主要有3种核燃料循环方案:1)轻水堆“一次通过式”核燃料循环;2)轻水堆“部分闭式”核燃料循环;3)快堆轻水堆联合“闭式”核燃料循环[5].

  相关期刊推荐:《厦门大学学报(自然科学版)》JournalofXiamenUniversity(NaturalScience)(双月刊)于1931年创刊,是国内外公开发行的综合性学术期刊(双月刊),主要刊载数学,物理学,计算机与信息工程,技术科学,化学,化工,海洋学,环境科学,生命科学等学科的研究成果。

  在目前广泛应用的热堆核电厂的核燃料循环模式下,采用“一次通过式”核燃料循环,天然铀资源的利用率约为0.6%;如果采用一次“闭式”核燃料循环,天然铀资源的利用率可以达到约1%.在快中子增殖堆核电厂的“闭式”核燃料循环模式下,一般认为可使铀资源的利用率提高50~60倍,国际原子能机构(IAEA)给出的数据为30倍左右.从可持续发展的角度出发,为了充分利用铀资源和减少核废物体积及其放射性,从“闭式”核燃料循环起步可能是必由之路[5],除非开发出具有创新性的先进核能系统,比如行波堆.

  2.2核燃料循环方案[6-7]

  2.2.1轻水堆“一次通过式“燃料循环

  轻水堆“一次通过式”核燃料循环,是目前最简单、最经济的核燃料循环.该循环分为6个主要步骤:铀矿开采、铀转化与浓缩、燃料制造、轻水堆、乏燃料储存、废物处置(图2第1行).轻水堆“一次通过式”燃料循环(第1行);轻水堆部分“闭式”燃料循环(第1、2行);快堆轻水堆联合“闭式”燃料循环(第1~3行).图2核燃料循环方案Fig.2Nuclearfuelcyclealternatives

  2.2.2轻水堆部分“闭式”燃料循环

  轻水堆乏燃料经过后处理,提取出铀和钚,并将回收的铀和钚制造成新燃料,最后将合成的燃料送进轻水堆中焚烧.在进行处理之前,需要将高放废物(HLW)储存几十年以降低其放射性和放射性衰变热.轻水堆乏燃料的回收利用会改变钚的同位素,这样的乏燃料只能回收一两次.许多国家都在回收轻水堆乏燃料.上述过程称为轻水堆部分“闭式”核燃料循环(图2第1、2行).

  2.2.3快堆轻水堆联合“闭式”燃料循环

  快堆能够通过中子吸收将可裂变材料U-238转化为易裂变材料Pu-239.这样,轻水堆铀浓缩设施中产生的贫铀、轻水堆乏燃料的铀和钚都有可能得到充分利用.多次循环的快堆对铀资源的利用率可以达到轻水堆的60倍.然而,快堆的启动需要大量的易裂变燃料.传统的方法是对轻水堆乏燃料进行后处理,再利用回收的钚来制造快堆燃料.轻水堆运行30年后,其乏燃料中回收的钚足够启动一个高转换比的快堆.快堆在启动和运行后,其乏燃料经过后处理继续回收铀和钚;并用回收的铀和钚以及选配的贫铀来制造新的快堆燃料组件,直至形成无法再循环利用的废物.

  对快堆轻水堆联合“闭式”燃料循环(图2第1~3行)的分析可包括3类不同作用的快堆:1)用作消耗锕系元素,如转换比为0.75;2)用作自持式核燃料循环,如转换比为1.0;3)作为快堆增殖裂变燃料,如转换比为1.23,并且用过量的超铀元素来启动更多的快堆.

  2.2.4行波堆“一次通过式”燃料循环(可持续快堆)

  从传统上来说,可持续核能的要求是具备一个燃料后处理和再循环的“闭式”燃料循环.然而,几十年来有很多人提议,采用“一次通过式”燃料循环发展可持续快堆,如行波堆,该设计是先用低浓缩铀、钚或其他辅助中子源启动反应堆堆芯,再更换为天然铀或贫铀继续焚烧,铀的利用率可以比现有的轻水堆高数倍到一个数量级.

  这种堆型有几个潜在优点:1)核燃料循环简单且成本低;2)行波堆启动后可以直接使用贫铀或天然铀为燃料,甚至可以用部分燃料再启动其他行波堆;3)行波堆体系不需要长期拥有浓缩铀(启动反应堆堆芯除外)及浓缩设施.

  2.3核燃料循环与快堆[4]

  2.3.1传统快堆与“闭式”燃料循环的相互依赖

  传统快堆需要高浓铀或钚启动,并借助后处理设施循环利用,这需要原料储备和后处理设施.商业化后处理设施的目的是为了提高规模经济效益,降低单位成本,但往往需要上千亿人民币的资金投入和十几年的时间建设.在快堆商业化前,商业化后处理设施投资回报率极低,长期建运所需的大量资金难以获得.法国、英国、日本、俄罗斯、印度、美国都建有后处理设施.除法国外,其他国家的后处理厂都没有实现真正意义上的商业化运行,而且基本是小型后处理厂,一些已经被关停,一些甚至根本没有运行过;中国近期已自主建设成功小型中试后处理厂,正在和法国谈判引进后处理大厂.与之对应的是,超过350堆年的快堆技术尚未实现商业化.传统快堆与“闭式”燃料循环相互依赖,限制了未来可持续核能系统的发展.在核燃料循环后端,高放废物处置方案和技术一直悬而未决,严重制约了核电的安全高效发展,从而对快堆的需求预期减低,这是一个更大的两难问题.

  2.3.2行波堆去传统快堆与“闭式”燃料循环的耦合

  当今世界的可持续发展需要大规模的清洁能源,核能是目前的最佳候选能源之一,但它面临着因上述两难问题造成的僵局.打破僵局的关键是暂时弱化甚至切断快堆与“闭式”燃料循环的耦合,先开发基于“一次通过式”燃料循环的可持续快堆(如行波堆),发展部署快堆发电创造价值,解决清洁低碳能源供应问题,同时为后续完善燃料循环赢得时间和积累技术及资金,这种发展模式具有重大的现实和战略意义

  .3行波堆开发

  3.1行波堆开发示范挑战和展望

  美国泰拉能源公司(TerraPower)(简称泰拉能源)由微软创始人比尔·盖茨先生创投,集全美核能精英开发行波堆技术,计划在中国建设示范堆.泰拉能源的行波堆设计采取池式钠冷快堆的技术路线和许多实施方案.这和已经临界并网运行的中国实验快堆采用的技术路线相近,也是计划中即将建设的商业化示范快堆的技术路线.行波堆技术发展实现的主要挑战在燃料、材料、长寿命堆芯的工程化设计及克服燃料变化对反应堆稳定性的影响等方面.

  为最大程度利用快堆的增殖功能实现行波式裂变,泰拉能源的行波堆设计采用金属燃料,不同于现有轻水堆和常规快堆使用的氧化物陶瓷燃料.金属燃料是目前世界上多数快堆路线中计划发展达到的高性能燃料,据此设计的快堆具有较好的安全性.为能够在行波堆内对贫铀和天然铀等完成足够的增殖,其燃料燃烧需要达到的燃耗深度高于常规快堆设计标准.

  与高燃耗燃料需求的挑战相对应,燃料包壳和堆芯构件需要在高通量的中子辐照下长期保持热物理力学性能和结构尺寸的稳定性.如果采用不换料设计,包壳的辐照剂量需要达到常规快堆设计指标的数倍.开发测试高抗辐照材料是非常关键的技术开发任务.随着行波堆增殖焚烧性能的提高和长寿命的运行,燃料组分和性能的不断变化为反应性的稳定和控制带来一定的挑战.行波堆设计的初装燃料为低浓铀和贫铀,在增殖焚烧过程中产生钚和其他可裂变元素及裂变产物,并且不断改变在堆芯中的分布,会导致反应性的变化.这个问题有待充分的设计改进和优化来解决,并需要通过严格的安全分析和认证.

  在行波堆的设计过程中,泰拉能源发现为了能降低燃料包壳的辐照剂量,在无需换料条件下尽快实现增殖-焚烧的行波,必须设法控制燃耗的峰值和平均值.因此在示范堆和第一代商业堆的设计中,采用了较低的燃耗.这个设计燃耗深度远低于由行波堆中子物理特性决定的限度,但已经远超轻水堆和常规快堆、增殖堆的燃耗设计限度,达到较高的资源利用率.由于行波堆良好的中子经济性,第一代行波堆的乏燃料只需置换包壳后即可直接再度使用,加深燃耗,进一步提高资源利用率.置换包壳,包括可能需要的燃料铸锭.这是个技术挑战,但基本上是物理机械过程,无需化学分离萃取,相对简单易行,且有较高的防核扩散性.通过这种途径,行波堆增殖产生的燃料还可以被取出用来启动新一代行波堆,无需再用浓缩铀启动源.到燃料被消耗到超过可以简单处理的限度时,如果认为燃料利用率还需提高,或需要把乏燃料的放射性寿命大幅度降低,那么可以用后处理方法来提取裂变材料供继续使用(如回到行波堆),或进入焚烧堆或加速器驱动系统(ADS)进行嬗变处理.这个期限已被推后很多年,并且需要处理的量也少于现有方法和体系.

  泰拉能源已制定了行波堆示范电站建设的时间表,并计划首先在中国示范.行波堆技术的合作开发示范将带来大量宝贵的技术和经验,可以有效支持中国既有的快堆与燃料循环体系开发和示范,并从中得到相应的反馈和支持.这种多赢的协同发展将揭开核能技术发展史上的一个创新篇章,具有重大价值和深远意义,值得我们共同期待、关注、支持和投入.——论文作者:郭奇勋*,李宁

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