国际核电高效利用回收铀资源的技术发展及路线图
摘要：高中子经济性是加拿大坎杜重水堆技术的一个突出优势，这种堆型也因此能够直接使用天然铀燃料，而且单位铀耗比较低，还可以高效利用由轻水堆乏燃料经后处理得到的回收铀等替代核燃料资源。秦山三期重水堆核电厂的成功建造和出色运营，为中加有关单位在重水堆先进燃料领域的创新合作与发展应用提供了有利的条件。回收铀燃料第一阶段的合作从2008年年初开始，首先是联合进行了秦山三期重水堆核电厂利用压水堆回收铀燃料的工程可行性研究，确定采用把回收铀与贫铀混合制作成等效天然铀燃料的技术方案，然后进行了等效天然铀燃料的详细设计分析、制造工艺研究、许可申请和入堆辐照准备工作，并且在2008年年底正式实施回收铀燃料辐照示范试验计划。在2011年年初辐照示范试验完成之后，秦山第三核电有限公司正式启动了全堆应用回收铀项目，现有的两台重水堆机组可望在2014年全面应用等效天然铀燃料。2012年3月，第二阶段的合作计划也正式启动，目标是在三代增强型坎杜重水堆技术的基础上进一步优化设计，率先在中国开发和建设三代先进燃料重水堆，为更优化利用回收铀资源，同时为钍基燃料的辐照考验及其未来的全堆工程化应用提供条件。中加联合开发先进燃料和推广应用先进重水堆技术，将带动回收铀优化利用的产业化发展，提高天然铀资源的综合利用率，也有利于促进中国闭式燃料循环体系的发展和完善。在发展建立商用后处理技术体系的同时，中国应适时启动优化利用回收铀资源的国家级配套计划，为核电规模化可持续发展和保障核燃料供应开辟新的途径。
Abstract：High neutron economy is one of the hallmarks of the CANDU R Registered trademarks of Atomic Energy of Canada Limited (AECL) used under exclusive license by Candu Energy Inc. (Candu).technology,enabling its capability to directly and efficiently utilize low fissile fuel resources such as natural uranium and recycled uranium (RU) recovered from spent fuel of light water reactors.Building on the solid foundation of the great success of the Third Qinshan Nuclear Power Plant project construction and the plant's top operational performance in China,leading Canadian and Chinese nuclear energy enterprises are engaged in a multi-stage strategic cooperation in the joint engineering study,development,demonstration and application of advanced fuels.Further to the completion of in-core demonstration irradiation in the Qinshan CANDU 6 reactors and the subsequent initiation of the full core implementation of natural uranium equivalent (NUE) fuel made of recycled uranium and depleted uranium (RU/DU),the parties have launched a joint program in the engineering design and preparing for deployment of the Advanced Fuel CANDU R Reactor (AFCR) for more efficient utilization of higher burnup RU/DU fuel and low enriched uranium and thorium (LEU/Th) fuels.While the operating CANDU 6 and the new Generation III Enhanced CANDU 6 R (EC6 R) reactors are ideal for efficient use of natural uranium or natural uranium equivalent fuel made from low fissile recycled uranium,the EC6-based AFCR is more optimized for alternative fuels such as higher fissile recycled uranium and thorium-based fuels.The international cooperation in advanced fuel reactor technological development and deployment is of great importance for opening up a viable path of implementing alternative fuels starting with recycled uranium and thorium,contributing to the sustainable growth of nuclear energy utilization in China and other emerging nuclear power markets.
一 核电大规模发展与回收铀资源的利用问题
（一）核电发展现状与潜在规模
随着城市化和工业化的不断发展，在过去四十年中世界人均每年消费的电量接近翻了一番，而且还在逐步提高；与此同时，世界人口总数还在快速增加，两者相乘的结果是全球电力年消费总量增长非常迅速，2011年已达到20.442万亿千瓦·时（20442 TW·h），人均2900千瓦·时［1］。目前世界电力供应高度依赖火电（见图1），核电是仅次于水电的世界第二大非碳基电力来源，2011年提供2.518万亿千瓦·时的电能，约占全球电能消费总量1/8。对很多发达国家而言，核电早已成为第一大的非碳基能源，约占经济合作与发展组织（OECD）国家每年总发电量的1/5。在快速增长的全球电力消费总量中保持和适当提高核电的比例，对世界能源体系的长期可持续发展非常重要，可缓解对化石燃料的过度依赖，也有助于应对空气污染、气候灾变、能源安全和价格不稳定的问题或风险。为实现这个目标，根据国际原子能机构（IAEA）的最近预测，全球核电总装机容量需要从2011年的3.69亿千瓦翻一番达到2030年的7.4亿千瓦，2050年要继续增加到近12亿千瓦，新增核电容量中的大部分将建在经济迅速发展中的国家，特别是中国和印度［1］［2］。针对中国的能源供需状况，最近多个国际和国内机构研究预测［2］［3］，中国的核电装机容量到2030年要扩大到1.2亿～2亿千瓦，到2050年则需要进一步增加到3亿～4亿千瓦的规模。
图1 1973～2011年世界电力供应组成态势
（二）核电大规模发展对铀资源的需求估计
在后福岛时代实现大规模核电发展，全球核电界和各相关机构一方面要合力解决如何确保超设计基准极端外部条件下的核反应堆安全性问题，另一方面要努力提高核电的经济性和竞争力。对于核废物的妥善管理、乏燃料的后处理和再循环利用以及防止核武器扩散等问题，全球也需要逐步形成广泛共识，推动可行的解决途径和有效机制的建设。对核电大规模发展同样重要的另一个现实问题是如何不断降低核电的单位铀耗。对目前运行中的典型轻水堆核电厂，每上网10亿千瓦·时要消耗大约25吨天然铀（参见图2和附表1，图和表中的单位铀耗和等效燃耗的单位分别是tNU/TW·h和GWd/tNU），相当于每千瓦·时25毫克天然铀的平均铀耗水平。每建成一台净输出功率百万千瓦的核电机组，100%满功率运行一年发电87.6亿千瓦·时，需要大约220吨天然铀。若按年均85%负荷因子的保守估计，运行六十年需要消耗1.122万吨天然铀。根据2012年版铀资源红皮书［4］，全球已探明的成本在每公斤260美元以内的天然铀总储量为7.0966百万吨，若按目前世界核电的平均铀耗水平计算，已探明的总储量还不够IAEA所预测的2030年核电总装机容量全寿期的铀资源需求。如果中国到2050年核电装机容量增加到4亿千瓦，假设到时已经顺利建成3000万千瓦快堆，中国对天然铀总需求量将达到目前全球已探明储量的近60%。通过加大勘探投资和随着开采提取技术的进步或者新技术的出现，铀资源探明储量可能会逐步增加；但与此同时，不断降低现有和未来商用堆技术的单位铀耗，不断提高核燃料资源的利用率，也是必然的发展趋势。这要求高效地利用各种来源的易裂变材料，包括回收铀和回收钚，加快后处理技术和高转换及增殖堆技术的发展，同时逐步开发应用钍资源作为替代核燃料。对核电业主而言，通过应用更先进的燃料技术，包括开辟替代核燃料供应途径，不断降低现有机组的单位铀耗和燃料相关费用，可以降低核电机组的运营成本，提高经济效益，增强燃料供应保障和抗价格风险的能力。
图2 全球运行中轻水堆和重水堆核电机组的单位铀耗
（三）回收铀资源的技术特点与利用问题
对采取闭式核燃料循环方式的国家，从核反应堆更换出来的乏燃料，在核电厂的乏燃料池冷却停留一定时间之后，最终要被运到后处理厂进行化学分离处理。轻水堆乏燃料经后处理的产物绝大部分是回收铀（约95%），还有少量的钚，其余则是裂变产物和除钚之外的超铀元素（主要是镎、镅、锔，又称次锕系核素）。目前全球核电厂每年产生约1万吨乏燃料，到2020年将积累大约44.5万吨［5］。目前，全世界乏燃料后处理厂总处理能力大约每年6000吨［5］，包括中国已建成的后处理中试厂。中国也已经设立了乏燃料处理处置基金，2010年开始按实际上网销售电量每千
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