第20卷 第3期核科学与工程Vo1.20 No.3 2000年 9月Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering Sep. 2000 核燃料循环系统3 刘远松 (中国核工业集团公司核燃料部) 1 前 言 在“核燃料立足于国内”的方针指引下,“九五”计划期间我国核燃料工业与我国核电同步建设、配套发展,“十五”计划期间核燃料系统也必将与我国核电配套发展。在“十五”计划期间的配套建设中,我们将继续走引进与国产化相结合的道路,积极采用先进技术和先进工艺,追求规模效益,把我国核燃料系统建成具有国际竞争能力的行业。然而要实现这一目标,在铀转化、铀浓缩、元件制造、后处理、放射性废物处理和核设施退役这些领域中还有许多重大技术问题有待于解决,还有待于我国核工业的科技人员的相互合作和共同努力。 2 中国核工业集团公司核燃料部所属民用领域简介 氟化转化铀浓缩元件制造 后处理退役、三废处置 3 各领域简介 311 氟化转化 (1)原理 氟化转化是将氧化铀经过氢氟化反应生成四氟化铀,然后经氟化反应转变为六氟化铀的过程。 (2)六氟化铀的用处 1909年德国化学家发现了六氟化铀。由于六氟化铀易于升华以及天然氟只有19F的单一同位素,这使六氟化铀成为同位素分离工厂惟一的工作介质。 312 铀浓缩 提高铀同位素混合物中235U的丰度的过程称为铀浓缩。主要工业铀浓缩方法为扩散法 收稿日期:199928220 作者简介:刘远松,1982年毕业于山东化工学院化工机械专业,1989年获铀同位素专业硕士学位,现任中国核工业集团公司核燃料部副总工程师。 3本文对原报告做了删节。 252
核燃料循环 核燃料以反应堆为中心循环使用。 （一）铀的开采、冶炼、精制及转化：铀是比较分散的元素。世界上重要的产铀国家有：加拿大、美国、独联体、澳大利亚、刚果、尼日利亚等。我国的东北、西北、西南及中南地区都蕴藏有铀。但是可提供一定铀产量的铀矿石的含铀量的品位较低（10-4～10-2），掘出的含铀矿石必须经过复杂的化学富集，才能得到可作粗加工的原料。过去开采铀矿石都采用传统的掘进方式（耗能大、成本高、生产周期长，还有运输、尾矿等问题）。近来根据铀矿石性质的多样性，又开发了地表堆浸、井下堆浸以及原地浸取等方式。 我国的铀矿石属低品位等级，一般在千分之一含量就要开采，成本较高。为了降低成本，充分利用低品位矿石，80年代以来就积极开发堆浸、地浸技术，现已投产。例如地表堆浸，处理品位为8×10-4的沙岩矿，成本降低 40％。原地浸取工程也已经开工。原地浸取采矿的优点是：成本低（投资只有掘进的1／2）、工艺简单、节约能源（省去了磨碎、运输等工序，可节约能源 60％）、节约劳动力、减轻劳动强度（节约劳动力数十倍，工人进行流体物操作，劳动条件大为改善）、矿山建设周期短、可以充分利用低品位铀资源。因此受到重视而被称为铀矿冶技术上的一场革命。 浸取液经过离子交换、萃取以富集铀，再经过酸性条件下沉淀（与硷金属及碱土金属分离）和碱性条件下溶解（与过渡元素分离）以进一步净化铀，最后得到铀的精炼物。将此精炼物进一步纯化，并将铀转化成低沸点的UF6（升华温度：1大气压下56℃；0.13大气压下25℃），即可用作浓缩235U同位素的原料。 （二）235U同位素的浓缩：235U是唯一天然存在的易裂变核素。不同设计的反应堆需要不同浓缩度的铀（如：压水堆——当前核电站应用最多的堆型——需要2～3％；游泳池堆需要10%；快堆需要25％；高通量材料试验堆需要90%）。而核弹则需要更高的浓缩度。因此生产浓缩铀是核工业中十分重要的环节。 同一元素的同位素化学性质相同，只在质量上有所差别。利用这一差别可以实现同位素的浓缩／分离。核素越重，质量差别越小（如：氢、氘相差一倍；而235U、238U。则相差～1％）。可见实现235U同位素的浓缩，技术上的难度很大。 利用因质量不同而引起的速度效应或离心力效应可以分离同位素，并已达到工业化的程度。它们分别是气体扩散法和气体离心法，此外空气动力法也有了中间工厂。 ①气体扩散法：这是已实现工业应用多年（1946～）的大规模生产方法。其原理是：不同分子量的气体混合物在热运动平衡时，具有相同的平均动能，因而速度不同。由 M1V12=M2V22可得：
我国核燃料闭合循环发展战略探讨 发表时间：2018-05-14T15:45:43.597Z 来源：《电力设备》2017年第35期作者：赵英才 [导读] 摘要：按我国制定的《核电中长期发展规划(2005—2020年)》,其中要求我们国家需要走核燃料闭合循环的道路。基于此，本文着重介绍了闭合循环的意义,简要介绍了国际发展的基本态势。 （辽宁红沿河核电有限公司辽宁大连 116319） 摘要：按我国制定的《核电中长期发展规划(2005—2020年)》,其中要求我们国家需要走核燃料闭合循环的道路。基于此，本文着重介绍了闭合循环的意义,简要介绍了国际发展的基本态势。对几个相关问题,如商用乏燃料处理厂建设时机;钚的产用平衡;MOX燃料在热堆核电站使用的适应性;经济性等作了讨论,并提出政策建议。 关键词：核能；核燃料循环；发展战略 引言 随着我国核电的快速发展及核设施三废退役治理进度的加快，势必将要建设大量的核燃料循环设施，用以生产核电厂需要的燃料元件，回收处理核电厂产生的乏燃料，以及对相应的废水、废气和固体废物进行处理处置。但是与之相对应的安全标准建设未能跟上，如至今尚未开展过核燃料循环设施的物项安全分级的研究，从而使得我国核燃料循环设施的设计、建造、制造可以选用合适的规范和标准，也给安全审评和监督等工作带来了许多困难。 1 我国自主核燃料品牌建设的重点攻关方向 1.1 完善核燃料设计技术体系和基础产业能力 （1）在进行设计分析体系时，应该把核燃料棒性能分析、核燃料组件性能分析程序的自主开发、适用于自主化核燃料的先进堆芯设计程序开发、混合堆芯安全评价技术等作为重点的关注对象，并将这些技术体系加以改进与完善。 （2）材料研发方面，为了强化其他核燃料关键材料研发保障体系建设，其中包括覆盖材料成分筛选、工艺研究、性能测试评估以及芯块和吸收材料，可以在已有的锆合金材料研发工作的基础之上，对锆合金研制及性能评价保障体系进行进一步的夯实。 （3）在制造加工方面，需要把自主核燃料研制相匹配的批量化工艺能力建设和质保体系建设工作作为重点进行关注，另外，补强核燃料运输和贮存相关的核燃料基础产业保障能力都有待加强。 （4）在试验验证方面，为了解决实验中出现的疑难问题，需要提高自身能力，可以从强化CHF等核燃料综合性能试验实施能力、数据处理和评估能力以及试验经验积累等方面着手。 1.2建立以市场为驱动的可持续核燃料研发发展模式 第一，为了从行业、国家产业角度开展联动模式搜索，可对我国现有的有利政策（重大专项等）以及保障手段进行充分利用，从而提高资源利用率，加大对基础资源与设施的开放共享程度，用以完善和补充当前的核燃料研制与国内的一些基础能力。 第二，为使我国当前的核燃料研发工作摆脱依靠国家支持的落后模式，可根据实际，适时进行核燃料用户联盟的创建工作，产业联盟的当今形势下核燃料的发展趋势，其主要以灵活多样的项目开展工作，从而满足市场需求，与此同时，还可以通过对市场手段的利用完成核燃料的更新换代。 2 核燃料竞争优势 2.1核燃料循环成本对核电竞争力的影响 目前，从市场整体情况看，我国市场上的清洁能源，如风电、火电，其价格远远高于核电价格，所以说核电在价位上面有很大的竞争优势，但是，在世界范围内，随着核电站的快速发展，建设步伐在稳步提升，核燃料价格也是水涨船高，这样一来，核电本来存在的优势也就面临极大的挑战，当前，价格问题对我国的核电能否继续健康发展起着至关重要的作用，所以，解决这一问题，可使相关单位降低核燃料循环成本。 2.2有利于环境保护与环境安全实施 核燃料是进行闭合循环的，这样一来，将乏燃料当成废物直接进行最终处置的乏燃料废物量要少很多，使长寿命放射性废物的体积和潜在的放射性毒性得到极大程度的降低，从而有效的减少了处置废物所需要的空间。如果在核燃料的处置中实施铀钚再循环，使其最终处置量降低为“一次通过”的四分之一左右，这样一来，就是说如果在“一次通过”要建四个最终地质处置库实，施铀钚再循环只需要建一个最终地质处置库实就可以了，在实施快堆增殖循环时，需要分离高放废物，之后，将分离出的长寿命裂变产物和次锕系核素放到快堆中嬗变成短寿命的放射性物质，剩下很少需要处置的废物，从而使核能发展的环境生态可持续发展得到解决。 2.3MOX 燃料技术的发展 轻水堆的MOX燃料生产工艺业已成熟,并在继续发展,其主要的发展方向是:实现MOX和UO2的等同性,力求MOX燃料组件和UO2组件在管理上可相互替换,具体要做到:①优化燃料棒的设计使其有更多的裂变气体释放率。②改进MOX燃料的制造工艺,力求MOX芯块与UO2芯块有相似的特性。③力求“简单的”堆芯管理策略,使MOX燃料在使用性能上与UO2燃料具有等同性,可以进行同样的堆芯管理。④由于MOX燃料的制造条件日趋严格(如钚的放射强度强,钚的含量大,废物量多),因此需要研制含钚量高达6.5%的MOX新燃料。⑤开发全堆芯都装MOX燃料的技术。 2.4实施铀钚再循环 实施闭合循环技术路线, 首要的是建设一座用规模的乏燃料后处理厂和相应的 MOX 元件制造厂。 我国核电中长期发展规划确定要积极自主研发快中子增殖反应堆技术, 及时启动试验或示范工程建设。现正积极筹划快中子堆示范工程建设, 这是在建成实验快堆之后, 我国快堆技术发展的又一个里程碑。为配合该工程的建设和运行, 提供所需的核燃料, 必须及时地建造相应的乏燃料后处理厂和 MOX 元件制造厂。商用乏燃料后处理、 MOX 元件制造厂的建设要与快中子示范堆建设相匹配, 统一规划建设。 3 实施铀钚再循环的几个问题 3.1配合我国快中子堆的实施 我国核电中长期发展规划确定要积极自主研发快中子增殖反应堆技术,及时启动试验或示范工程建设。现正积极筹划快中子堆示范工程建设,这是在建成实验快堆之后,我国快堆技术发展的又一个里程碑。为配合该工程的建设和运行,提供所需的核燃料,必须及时地建造相应的
核燃料循环复习资料 1-2 核燃料后处理的任务及其产品形式是什么？ 后处理厂的产品形式，取决于乏燃料中易裂变核素的种类和数量、还取决于产品的用途。钚是后处理厂最主要的产品。 1-3 核燃料后处理厂的特点（书P12）
1-4核燃料后处理工艺的发展简史给你什么启发？（P14） 1-5 简述轻水堆铀燃料循环的主要工艺流程
2-3 理解并会应用描述磷酸三丁酯萃取铀钚效果的三个概念：分配系数、分离系数、净化系数。（会计算） ● 分配系数α：某物质在互不相溶的两相间达到萃取平衡时，它在有机相和水相中浓度的 比值。 a C C O =α O C ——某物质在有机相中的平衡浓度 a C ——某物质在水相中的平衡浓度 分配系数越大，平衡时，该物质进入有机相的量越多，而在水相中的量越少。 ● 分离系数β——铀钚彼此间的分离效果 铀中去钚的分离系数βPu/U ： 钚中去铀的分离系数βU/Pu ： ● 净化系数DF ——用于表示铀、钚中对裂片元素的去除程度。
2-4 理解、记忆影响磷酸三丁酯萃取铀钚的因素 答：影响TBP 萃取铀的因素：水相中UO2(NO3)2浓度；有机相铀饱和度；硝酸浓度；TBP 浓度；共存的络合剂；温度 影响TBP 萃取钚的因素：硝酸浓度；TBP 中的铀饱和度；TBP 浓度；温度；TBP 降解产物的影响 2-5 磷酸三丁酯对裂变元素的萃取性能。P52 2-6 有机溶剂的降解产物及其对萃取工艺的影响(PPT) 降解产物：磷酸二丁酯、磷酸一丁酯、磷酸、其它。磷酸二丁酯产额最高。 降解产物对萃取工艺的影响： 1）形成DBP·TBP萃取络合物，增大有机相粘度。 2）钚的萃取物很难反萃，降低了钚回收率。 3）增加界面乳化，增加分离难度。 3-1简述不同类型反应堆乏燃料元件对后处理工艺的影响（轻水堆+快中子堆,见P70）
核能与先进核燃料循环技术发展动向孔二峰 摘要：从核裂变能可持续发展的角度,分析了各种核燃料循环方式的特点,指出了核燃料“一次通过”方式不符合核能可持续发展战略。为了充分利用铀资源并实现核废物的最少化,快堆燃料闭式循环是核裂变能可持续发展的根本出路。 关键词：核裂变能；热堆燃料循环；快堆燃料循环；可持续发展 1核燃料循环是先进核能系统的重要组成部分 1.1核燃料“一次通过”方式不符合核能可持续发展战略 核燃料循环(本文指铀燃料循环)指从铀矿开采到核废物最终处置的一系列工业生产过程。核燃料在反应堆中使用之前的工业过程,称为核燃料循环前段;核燃料从反应堆卸出后的各种处理过程,称为核燃料循环后段。如果将后处理回收的核燃料在热中子堆(热堆)或在快中子堆(快堆)中循环,称为“闭式燃料”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”循环。 应该说,“一次通过”循环是最简单的核燃料循环方案。但该方案存在如下问题:①铀资源问题。根据最新公布的数据,地球上已知常规铀资源(开采成本低于130美元/kg)的铀储量为4.59×106t。按目前全世界核电站的燃料使用规模((6～7)×104t/a),这些铀资源仅能使用60～70a。当然,随着勘探技术的改进,今后有可能发现更多的经济可开采的铀资源,但其总量毕竟有限。“一次通过”循环方式的铀资源利用率低于1%,而作为废物处置的乏燃料中仅有3%～4%为高放废物(裂变产物(FP)及次锕系核素(MA)),96%～97%为可利用的U和Pu,将乏燃料中大量的资源与少量的废物一起直接处置,将不仅大大增加废物处置体积,还将浪费宝贵资源。②环境安全问题。由于乏燃料中包含了所有的放射性核素,要在处置过程中衰变到低于天然铀矿的放射性水平,需要10万年以上。所以,“一次通过”方式对环境安全的长期威胁极大,不符合核能可持续发展战略。 1.2先进核燃料循环是实现核能可持续发展的必要条件 核能可持续发展必须解决两大主要问题,即铀资源利用的最优化和核废物的最少化。目前国际上已达到商用水平的热堆燃料循环可部分地实现分离Pu和U的再循环,从而适度地提高铀资源的利用率和减少核废物体积。从上世纪90年代开始研究开发的“先进核燃料循环”体系是对现有核能生产及其燃料循环体系的进一步发展,是现有的热堆燃料循环与将来的快堆或加速器驱动的次临界系统(Accelerator-DrivenSystem,ADS)燃料循环的结合。随着快堆和ADS燃料循环的逐步引入,今后的先进后处理技术将能够处理热堆和快堆-ADS乏燃料,实现U,Pu和MA 的闭式循环,从而在充分利用铀资源的同时,实现核废物体积和毒性的最少化。 2闭式燃料循环是核能可持续发展的保证 2.1核燃料循环概念 核能系统的核燃料循环(本文指铀/钚燃料循环)指从铀矿开采到核废物最终处置的一系列工业生产过程,它以反应堆为界分为前、后两段。核燃料在反应堆中使用之前的工业过程,称为核燃料循环前段,它包括铀矿勘查开采、矿石加工冶炼、铀浓缩和燃料组件加工制造;核燃料从反应堆卸出后的各种处理过程,称为核燃料循环后段,它包括乏燃料中间储存、乏燃料后处理、回收燃料(Pu和U)再循环、放射性废物处理与最终处置。回收燃料可以在热中子堆(热堆)中循环,也可以在快中子堆(快堆)中循环,统称核燃料闭式循环。如果乏燃料不进行后处理而直接处置,则称为一次通过循环。众所周知,热堆核燃料一次通过循环的铀资源利用率低于1%;热堆核燃料闭合循环可使铀资源的利用率提高02~03倍;快堆核燃料闭合循环可使
M I T报告核燃料循环的未来执行总结部分译文集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#
核燃料循环的未来（概要报告） —MIT跨学科研究报告 麻省理工学院 2010-09-16 引言与致谢 2003年,MIT发表了多学科研究报告《核电的未来》。其论点是，核能是一个低碳世界上的重要市场选项。至少今后的几十年内，降低电力生产之二氧化碳排放排放排放的现实选项只有四个：提高能源利用效率，扩大使用可再生能源如风能和太阳能，化石燃料电厂由煤炭转向天然气或过渡到捕俘与永久扣押二氧化碳，排放排放排放以及核电。该报告的观点是，所有的四个选项都是比要的，从碳排放排放全面管理战略中排除四者中的任何选项都是错误的。该报告检查了发展核电的各种障碍，提出了促进核电成为市场选项的一系列建议。 报告发表以来美国和全世界发生了巨大变化，我们2009年发表了《对2003年<未来的核电>的更新》报告。对气候变化的担心急剧上升，许多国家对温室气体排放排放采取了各种限制，而且美国也期望在未来某时对二氧化碳大气排放采取限制。今天核能提供着美国～70%的“零”碳排放电力，是电力部门降低温室气体排放的主要候选者。虽然目前全球经济不景气有所影响，美国和全世界核电增长的预测值依然大幅度上升。在美国，发布了各种各样的建造新反应堆的意向公告,27台机组提出许可证申请，8台提出联邦贷款保证申请，还有几个厂址在做前期准备。然而直到2010年年中，美国尚未颁发新建工程建造许可证。世界其它地区，特别是中国和印度，新机组建造已在加速。此外，韩国通过与阿拉伯联合酋长国签署建造四座反应堆协议，成为了全球传统核电供应商的一员。 核燃料循环也有重大进展。在美国，燃料循环政策仍处于混乱状态。布什政府发起了各种规划，目标是商业回收再循环乏核燃料（SNF）中的易裂变材料制造新燃料组件,但没有得到国会的支持。美国能源部（DOE）花费多年评价并提出许可证申请，要在尤卡山（YM）建造乏燃料和高放废物地质处置场。但是现在奥巴马政府请求撤回许可证申请。在海外，日本开始运行商业核燃料后处理厂。芬兰和瑞典获得公众赞同，选定了处置乏燃料的地质处置场厂址。 因为境况的重大变化，我们承担的《核燃料循环的未来》研究更明确集中于对扩大美国核电规划可采用的关键技术选择和这些选择的近期政策涵义。 我们感谢美国电力研究所（EPRI）以及爱达荷国家实验室、阿海法、通用电气-日立、西屋、能源方案和核保险公司慷慨的资金支持。 执行总结 研究背景 2003年MIT发表了多学科研究报告《核电的未来》。其根本动机在于核电是目前提供美国约70%
我国核能源发展现状与前景展望 我国现在已经成为世界第一大能源生产国，2008年我国的一次能源产量占世界总比重超过15%。同时我国也是世界第二大能源消费国，一次能源消费量占世界总量的比重接近20%，其中煤炭消费量居世界第一位，石油消费第二位。我国能源结构中一次能源占了大部分的比例，致使我国节能减排任务繁重，同时化石能源又是不可再生能源，几十年后就将面临能源枯竭，因此对新能源的开发与应用已经成了解决国计民生和造福子孙后代的首要问题。在新能源中对核能源的开发占了相当大的比重，本文就将对当前核技术在中国的应用现况与发展前景进行简要概述。 一直以来，人们总会谈“核”色变。现在不仅是在中国，在世界上对核技术是否值得发展一直有两大阵营。反核人士与支持核技术发展人士。反核人士主要有三个理由：首要的就是核武器，这个能量巨大杀伤力极强的武器一度成为很多国家的梦魇，一旦被核技术泄露被用于军事目的，发动核战争，将意味着世界的灭亡。其次是核能源应用的经济性问题，投入与产出是否能成正比，产出的能源价值能够比成本更高，发展起来才更有意义，而且一旦发生核反应堆泄露事故，每天对废弃堆的维护费用都是相当惊人。还有一点就是全人类都关注的问题，核能源的安全性问题，自从切尔诺贝利事故，三里岛核电站事故到近期发生的福岛核电站事故，人们对核技术的发展与应用不禁有有了大大的疑问。同时核废料的处理问题也成了各界人士关注的焦点。 我认为我是一个支持核技术发展的人。虽然发展核能源有很多潜在的问题，但对科学的发展还是要往前看的。目前世界和平与发展是主流，而且各国都意识到和平利用核能源的重要性。诚然，在冷战时期，我们的世界曾经濒临核大战的边缘，并且一度有毁灭的危险，但是人们还是意识到了和平利用核能的重要性。当美国总统布什知道了美国核武库中有1万多件核武器时，不禁惊呼“我们要这么多核武器干什么？”，这充分说明全球都迫切想要和平利用核能的想法日益强烈。至于安全性的问题我们不能因为惧怕发生事故就对核技术望而却步，那样就永远不会有新的发展，虽然发生了几次核事故，也造成了很大的损失，但这些都不能阻止人类对核技术的应用于探索。问题的根本在于，我们急需使用新的能源体系来替代旧的能源体系，而核能是我们重要的选择之一，一旦放弃了核，那就很可能放弃了人类子孙后代的生存福利。 我国目前的核能源发展状况 核电是安全、清洁、经济的能源。发展核电对推进我国能源多元化，提高能源的安全性，合理开发利用能源，促进可持续发展，扮演着越来越重要的角色。 我国核电经过20多年的发展，取得了显著成绩。核电设计、建设和运营水平明显提高，核电工业基础已初步形成经过起步和小批量两个阶段的建设，目前形成了浙江秦山、广东大亚湾和江苏田湾三个核电基地。核电的投产，缓解了我国沿海地区电力紧张的局面，促进了当地经济的发展。首批核电站投入运行十多年来，放射性流出物的排放量和固体废物的产生量远低于国家标准规定的控制水平，周围环境的辐射水平一直保持在天然本底，核电站运行没有给环境带来不良影响。这说明我国核电站的建设是成功的，运行是安全可靠的，为核电在中国的进一步发展提供了经验，打下了基础。 我国目前运行的核电站除秦山三期之外全部是压水堆，在建只有山东荣成的是高温气冷堆，其余也都是压水堆，目前压水堆的技术已经十分成熟。虽然中国
第３２卷第３期２０１８年６月南华大学学报(自然科学版)ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｏｕｔｈＣｈｉｎａ(ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)Ｖｏｌ ３２Ｎｏ ３Ｊｕｎ ２０１８收稿日期:２０１８－０３－１８ 基金项目:国家科技重大专项项目:先进乏燃料贮存技术研究(２０１５ＺＸ０６００４００２) 作者简介:朱庆福(１９７３－)?男?研究员?博士?主要从事反应堆物理与临界安全方面的研究.Ｅ￣ｍａｉｌ:ｑｆｚｈｕ＠ｃｉａｅ.ａｃ.ｃｎＤＯＩ:１０ １９４３１/ｊ ｃｎｋｉ １６７３－００６２ ２０１８ ０３ ００１ 核燃料循环系统临界事故源项计算程序ＧＥＴＡＣ￣２.０开发 朱庆福?张一驰?夏兆东 (中国原子能科学研究院反应堆工程研究设计所?北京１０２４１３) 摘一要:针对核燃料循环系统中不同物理形态的核燃料?建立相应的中子动力学 热 工水力耦合模型?开发了用于固体二溶液二粉末二核燃料系统临界事故源项计算的程序ＧＥＴＡＣ￣２.０.利用国际上公开的基准实验数据对程序进行了验证?程序对功率(裂变率)峰值的计算结果与基准实验数据的相对误差在１２％以内?验证了ＧＥＴＡＣ￣２.０程 序的准确性. 关键词:核燃料系统?源项计算?ＧＥＴＡＣ￣２.０ 中图分类号:ＴＬ３６４.４文献标志码:Ｂ文章编号:１６７３－００６２(２０１８)０３－０００１－０７ ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＳｏｕｒｃｅＴｅｒｍＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎＣｏｄｅＧＥＴＡＣ￣２.０ｆｏｒＣｒｉｔｉｃａｌｉｔｙＡｃｃｉｄｅｎｔｓｉｎＮｕｃｌｅａｒＣｙｃｌｅＳｙｓｔｅｍ ＺＨＵＱｉｎｇｆｕ?ＺＨＡＮＧＣｈｉ?ＸＩＡＺｈａｏｄｏｎｇ(ＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒｇｙ?Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２４１３?Ｃｈｉｎａ) Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂａｓｅｄｏｎｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｎｅｕｔｒｏｎｉｃ￣ｋｉｎｅｔｉｃｓａｎｄｔｈｅｒｍａｌ￣ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆ ｎｕｃｌｅａｒｆｕｅｌｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｈｙｓｉｃａｌｆｏｒｍｓ?ＧＥＴＡＣ￣２.０ｃｏｄｅｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｓｏｕｒｃｅｔｅｒｍｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｏｌｉｄ?ｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｐｏｗｄｅｒｆｕｅｌｉｎｔｈｅｎｕｃｌｅａｒｆｕｅｌｃｙｃｌｅｓｙｓｔｅｍｗｈｅｎｃｒｉｔｉｃａｌ￣ ｉｔｙａｃｃｉｄｅｎｔｓｈａｐｐｅｎｅｄ.Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｐｅａｋｐｏｗｅｒ(ｆｉｓｓｉｏｎｒａｔｅ)ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙＧＥＴＡＣ￣２.０ｃｏｄｅｉｓ１２％ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｂｅｎｃｈｍａｒｋｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ?ｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｃｏｄｅ.ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｔｈｅｎｕｃｌｅａｒｆｕｅｌｃｙｃｌｅｓｙｓｔｅｍ?ｓｏｕｒｃｅｔｅｒｍｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ?ＧＥＴＡＣ￣２.００一引一言在核燃料循环的主工艺中?核燃料根据物理形态的差别可以分为固体二溶液和粉末.在发生临 界事故时?不同物理形态的核燃料系统的功率响 应各有差异?而热工性质的差别引起的反应性反 馈机制的差异是不同状态核燃料系统功率响应不 同的主要原因.因此?针对不同形态的核燃料系统
核能的利用与发展前景 上世纪两次石油危机给西方国家的经济带来沉重的打击，同时也大大促进了全球范围内可再生能源的发展。从20世纪70年代开始，尤其是近年来，可再生能源已逐渐成为常规化石燃料的一种替代能源，世界上许多国家或地区将可再生能源作为其能源发展战略的重要组成部分：美国的加利福尼亚，2017年20%的电力将来自可再生能源（2002年已经达到12%）；欧盟，2010年22%的电力或整个能源的12%将来自可再生能源（1999年可再生能源电力为14%，1997年占整个能源的6%）；德国，2020年20%的电力和2050年整个能源的50%将来自可再生能源（2002年电力占6.8%）；日本，2010年光伏发电要达到483万千瓦（2003年为88.7万千瓦）；拉丁美洲，2010年整个能源的10%要来自可再生能源。 新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。 新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能。包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、核聚变能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。也可以说，新能源包括各种可再生能源和核能。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。 据世界断言，石油，煤矿等资源将加速减少。核能、太阳能即将成为主要能源。本文重点分析核能作为新能源的优缺点和发展前景，具体到最新技术的发展，以及在其利用过程中可能会面临的问题等。 核能（或称原子能）是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=m c2;，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。核能通过三
核能与先进核燃料循环技术发展动向 发表时间：2018-05-14T17:26:12.640Z 来源：《电力设备》2017年第34期作者：马新春[导读] 摘要：中国是世界第一能源生产大国，是第一能源消费大国，第一人口大国，也是世界二氧化碳第一排放大国，还是二氧化硫、氮氧化物、雾霾污染严重的国家之一。 （中电华元核电工程技术有限公司烟台分公司山东省烟台市 265100）摘要：中国是世界第一能源生产大国，是第一能源消费大国，第一人口大国，也是世界二氧化碳第一排放大国，还是二氧化硫、氮氧化物、雾霾污染严重的国家之一。可是中国能源资源不足，不到世界人均占有量的二分之一，石油对外依存度逼近60%，已达到严重不安全程度。为此，我国必须发展清洁能源、低碳能源、新能源，积极推进我国完整、强大的核能(电)产业体系建设，以保证我国能源安全、经 济安全、环境安全，提高幸福指数，推进社会生态发展。 关键词：核能；先进核燃料技术；发展动向 1.核能产业体系的特征 核能产业体系(简称核能体系)是指与核能资源链、产品链、产业链、物流链、技术链、服务链(如研发、设计)、价值链密切相关且相互链接的核能研究、开发、建设、生产、退役、废物处置的核事业、核产业、核企业群的构成与系统。它有如下特点： 1.1以核能开发利用为特色，并具有放射性 核能产业体系是以原子核能利用为特色的产业。既继承又发展了化工、机械、冶金、电子传统产业，是一个新产业。包括核燃料、核发电、核供热、核推进动力；包括核工业、核农学、核医学、核科技、核军工、辐射技术等。核产业具有放射性，从地质、采矿、冶金、放化、堆工、后处理、废物处置都有放射性。由于核安全、辐射安全和核环境安全的特殊要求，对所用的材料、设备以及制造和建筑安装作业均有不同于常规工业的严格质量要求，如高纯度、高精度、耐辐照、耐腐蚀、高清洁度、高密封性等。需要建立和贯彻执行严格的质量保证体系和安全文化体系。 1.2以核能研究为先导，具有知识技术密集性 核能(电)体系是技术、知识密集型产业体系。如堆型开发，铀同位素分离技术的成熟，都要经过十几年，几十年的时间；聚变能的可控开发要经过一个世纪以上。核能研发试验经费在法国一直占核能经济投入的1/3。科学技术是生产力，核科学、核技术是引导核产业发展的第一生产力。所以，必须把从事核能基础理论、应用研究、核能战略、规划、设计、经济管理研究，核能专用人才培养等服务事业、产业纳入这个体系推进“产、学、研”一体化。 1.3一个综合的跨行业体系 核工业是在原有工业和科学技术的基础上发展起来的，必须最大限度地利用已有技术、工艺和成就，其范围包括地质勘探、采矿、冶金、化工、电力、机械制造、建筑、机电、电子、精密仪表、环境保护等产业和物理、化学、生物学、地质学、气象学、计算机、自动控制、材料科学、传热学、医学、心理学、经济管理等科学。核能体系是一个综合的、跨行业的体系，它利用和发展了上述行业的技术、工艺、生产过程。一个聚集多产业、事业、服务业为一体的经济体系。 2.先进核燃料循环是实现核能可持续发展的必要条件 2.1核燃料循环概念 核能系统的核燃料循环(本文指铀/钚燃料循环)是指从铀矿开采到核废物最终处置的一系列工业生产过程,它以反应堆为界分为前、后两段。核燃料在反应堆中使用之前的工业过程,称为核燃料循环前段,它包括铀矿勘查开采、矿石加工冶炼、铀浓缩和燃料组件加工制造;核燃料从反应堆卸出后的各种处理过程,称为核燃料循环后段,它包括乏燃料中间储存、乏燃料后处理、回收燃料(PU和U)再循环、放射性废物处理与最终处置。回收燃料可以在热中子堆(热堆)中循环,也可以在快中子堆(快堆)中循环,统称核燃料闭式循环。如果乏燃料不进行后处理而直接处置,则称为一次通过循环。 众所周知,热堆核燃料一次通过循环的铀资源利用率低于1%；热堆核燃料闭合循环可使铀资源的利用率提高0.2-0.3倍；快堆核燃料闭合循环可使铀资源的利用率提高50-60倍甚至更多。目前,国际上对于采用核燃料闭合循环还是一次通过循环尚无共识。尽管按照目前的铀价和估计的铀资源,一次通过循环的经济性略优于闭合循环,但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毒性,核燃料闭合循环(或循环经济)是必由之路。 2.2核燃料与核燃料循环体系 核燃料与核燃料循环体系，是指核燃料生产与循环利用的系统，包括裂变核燃料与聚变核燃料体系。它是核能的燃料、动力，是核工业的基础。核能(电)的核心就是使燃料裂变或聚变成能源、电力、动力。 裂变核燃料产业主要有、、裂变核燃料的生产，包括铀矿、钍矿的开采、冶炼、铀的富集、燃料元件加工、乏燃料元件处理回收铀钚。天然存在，是由在反应堆中辐照、转变得到的；是由转换得到的。核燃料与化工燃料相比是一个复杂得多的工艺阶段，是可循环使用的产业体系。 3.对于我国核电技术发展的启示 ①从战略、从长远对核能产业作国家发展定位包括核能源、核电战略，核燃料战略，核战略，辐射技术用于科研、军工、工、农、医、社、环境、生态的战略定位，特别是对核电大国、强国的定位； ②根据战略定位制定核能产业规划提出对核电、核燃料、辐射技术、核科技发展等产业规划； ③根据核产业规划提出推进核能各产业发展方针、政策、措施； ④国家对核能产业、事业、经济的领导、管理体制要改革，做好顶层设计。在市场与政府二者作用中找到一个平衡、统一点，才利于这种军民结合，敏感产业的发展； ⑤合力推进我国三代自主化核电“落地”与“走出去”战略； ⑥增加核科技人力、物力、资金投入； ⑦核能产业发展仍需要融资，需要税收、定价、舆论等政策的支持。 4.我国核燃料循环科技工业的发展战略
核燃料循环的发展前景 人们对核燃料循环的研究，主要着重在两个问题。即：充分利用核燃料资源和使核燃料的利用清洁化。 1．充分利用铀（钍）资源：目前核能主要是利用235U，但它只占天然铀中的0.7％，即使考虑到压水堆的转换比为0.6，天然铀的利用率也只有0.7％+0.7％×0.6=1.1%。目前已探明世界上（经济上）有开采价值的铀为500万吨，而一座1000兆瓦（100万千瓦）的核电站，要消耗的铀为：初装量365吨+年补充量174吨（运行30年约需天然铀5500吨）。能源专家按年增长率2.5％（1989～1990的低潮增长率）估算，现有储量只能维持到2035年左右。可见用现在类型的核电站，铀作为燃料资源并不丰富。但是如果能将天然铀中未被热中子堆利用的、占99.3％的239U利用起来，情况将发生本质的变化。 利用快中子增殖堆能够解决这个问题。在快中子增殖堆中，有足够富裕的中子能将238U转换成239Pu。239Pu与235U相同，是可以燃烧的。这样就可以把铀资源的利用率从～1％提高到60～70％，可见铀资源在能源中的位置所起的作用。再加上快堆对燃料的利用比热堆充分（燃耗大3倍左右），就可能更充分地利用铀。这样人们就不必再为化石燃料的污染环境（我国烧煤每年排入大气的SO21460万吨，烟尘2300万吨，此外还有世界性的温室效应）和引起交通紧张（我国煤运量占铁路的40％，占海运的30％，而1000Mw 电站需要运输的煤量为330万吨）而烦恼。 和238U相似，232Th也能吸收中子而转换成能做核燃料的235U。但因233U中的232U的子体具有很强的γ放射性，操作起来很不方便，近来除印度这样的铀资源匮乏而钍资源丰富的国家外，其他国家暂时放弃了对它的研究。 2．核能应用清洁化：后处理厂共去污流程产生的高放废液的最终处置，是人们最关心的问题。它含有反应堆中产生的全部裂变产物、镎和超钚元素。裂变产物的放射性在储存300年后将降到比天然铀矿还低的水平。而镎、镅、锔等超钚元素在储存几十万年后仍保留有相当的水平。一座1000Mw（e）的核电站每年将生产25公斤超钚元素［1990年世界核电站装机容量为325870Mw（e），可产生超钚元素～8吨，如果用U+Pu的混合燃料此值还将加大］。对于这样长寿命的α放射性物质，进行几十万年的长期埋葬，不能不引起公众的忧虑。 缩短放射性废物辐射危害达到环境允许水平的时间，将从根本上消除这一疑虑。这样人们就能够从有人类历史文献记载的时间尺度来评价地层的稳定程度，从而做出不容置疑的结论。这个目的可借用中子嬗变长寿命裂变产物和超钚元素的方法来实现。在中子作用下，上述元素或嬗变成稳定的核素［如：99Tc（n，γ）100Tc→100Ru］，或经过裂变反应燃烧成短寿命裂变产物［如En＞0.5Mev时的237Np（n，f）；241Am（n，γ）242Am（n，f）］，这时不但清除了长寿命α核素，而且还为核燃料提供了能量，达到一举两得的目的。 高放射性废液经过上述物理处理后，剩下的只是半衰期30年左右的裂变产物（90Sr，137Cs等），只需要几百年的时间就可达到安全水平。
中国核工业的创建与核燃料循环体系 核工业是20世纪产生和发展起来的新兴产业，是世界最伟大的工程成就之一。中国是世界上少有的具有完整的核工业体系的国家之一。 1955年1月，中央作出了中国要发展原子能事业的伟大战略决策，开始创建我国的核工业。从此，炎黄子孙在华夏热土上开始了前所未有的伟大工程。 1958年我国建成了第一座研究性重水反应堆和第一台回旋加速器，标志着我国进入了原子能时代。而后相继建立了铀水冶厂、同位素分离厂、铀转换厂、核燃料元件制造厂、后处理厂和一批研究设计院所。1964年10月，我国成功地爆炸了第一颗原子弹；1967年6月，又成功地爆炸了第一颗氢弹。从原子弹爆炸试验成功到氢弹爆炸试验成功，我国用了两年零8个月的时间，比美国、苏联、英国、法国快得多。与此同时，1971年，我国第一艘核潜艇顺利建成下水。这些举世瞩目的成就，大大提高了我国的国际地位和综合国力。1999年9月18日，中共中央、国务院、中央军委授予为研制“两弹一星”做出突出贡献的23位科技专家“两弹一星功勋奖章”，其中有10位是核科学家。 核燃料循环工业是建立和发展核工业的基础。核燃料循环包括核燃料进入反应堆前的制备和在反应堆中的裂变及以后处理的整个过程。进入反应堆前的过程为核燃料循环的前段，而从反应堆卸出后的处理和处
置为核燃料循环的后段。核燃料循环前段的第一个环节是铀矿的普查勘探，包括查明铀资源，勘探铀矿床，提交铀储量。我国核工业部门1958年就向国家提交了第一批铀储量，1960年先后提交开采基地8处。经过半个世纪的努力，已提交了花岗岩型、火山岩型、砂岩型和碳硅泥岩型为主的相当可观的铀资源。近年来，开展了可地浸砂岩型铀矿的找矿工作，并落实了铀的资源基地。 第二个环节是铀矿石的采冶，包括铀矿石的开采、加工和铀的精制。把具有工业价值的铀矿石从矿床中开采出来，然后加工成核纯的重铀酸铵、三碳酸铀酰铵、八氧化三铀、二氧化铀，为进一步制备各种类型的核燃料提供原料。我国在铀矿冶创建初期，就实现了从矿石到二氧化铀的工业生产。目前，铀的地下浸出、堆浸和原地爆破浸出新工艺都已投入生产，其产量占我国天然铀年总产量的70%。 第三个环节是铀的同位素分离，即铀-235的富集，以得到所需富集度的铀-235。我国的铀同位素分离开始采用的是气体扩散法。在进行气体扩散前，首先要将固态的二氧化铀(UO2)经过铀转换厂转化成六氟化铀(UF6)气体。然后利用气体扩散将分子量存在着细微差别的235UF6和238UF6分开。20世纪90年代，我国完成了由扩散法向离心法的过渡。采用气体离心法，其单位分离功耗电只是气体扩散法的5%，成本下降了75%。 第四个环节是核燃料元件的制造。核燃料元件是反应堆的核心部件。在制造核燃料元件之前，需要将一定富集度的气态UF6转化成固态
核燃料循环，也被称为核燃料链，指的是核燃料经过在使用过程中所经过的一系列不同的阶段。它主要包括前端步骤，其中有制造核燃料的过程、使用期间的各个步骤、以及后端步骤，其中有在核燃料使用完毕时或者核燃料再处理或者处理乏核燃料的过程。 核燃料循环有3种主要型式 1一次通过。使用过的燃料元件不进行后处理，而直接作为废物加以处置。 2热中子堆中再循环。使用过的燃料元件经后处理回收其中未用完的铀和新产生的钚，返回重新制造元件，循环使用。3快中子增殖堆中再循环。快中子增殖堆燃料由钚和贫化铀构成。使用过后，经后处理回收其中铀和钚，返回循环使用。 在核燃料循环中，以反应堆为中心，划分为堆前部分（前段）和堆后部分（后段）。前段指核燃料在入堆前的制备，包括铀矿的开采、铀矿石的加工精制（即前处理）、铀的转化、铀的浓缩和燃料元件制造等过程。后段指从反应堆卸出的乏燃料的处理，包括乏燃料的中间储存，乏燃料中铀、钚和裂变产物的分离（即核燃料后处理），以及放射性废物处理和放射性废物最终处置等过程。 核燃料循环从开采铀资源开始。铀是普遍使用的核燃料。天
然铀中只含0.7%的U235，其余为U238。天然铀的这个浓度正好能使核反应堆实现自持核裂变链式反应，因而成为最早的核燃料，功率密度,一般要用U含量大于0.7%的浓缩铀。为了把天然铀中铀235的含量提高到3%,需要进行铀同位素分离即铀的浓缩。当前工业规模的铀的浓缩工厂以六氟化铀为供料，因此需要把前处理的产品八氧化三铀进行还原、氢氟化和氟化转变为六氟化铀，这就是铀的转化过程。在铀的浓缩工厂中，六氟化铀中的铀235含量被浓缩至3%左右。这样得到的六氟化铀须再经过一个转化过程变为二氧化铀，才能送至元件制造厂制成含铀235约3%的低浓铀燃料元件。为了制成核燃料，浓缩后的六氟化铀需要转化为二氧化铀（UO2) 粉末，随后制成小颗粒。这些浓缩铀的小颗粒然后经过高温烧结，形成坚硬的陶瓷颗粒。这些柱形的小颗粒经过研磨，形成均匀的颗粒。根据反应堆核心的设计要求，这些小颗粒需要堆叠在耐腐蚀的金属合金管中。最后，将这些管道密封起来以保存燃料的颗粒。这些管道被称为燃料棒。制成的燃料棒放在专门的燃料箱中，以建造核反应堆的燃料核心。 核反应堆中取出的乏燃料包含有大量的可裂变物质（如铀-235、钚-239等）、增殖性物质（铀-238）以及其他放射性物质，包括放射性毒素。这也正是燃料需要移除的原因。裂
我国先进核燃料循环技术的现状研究 姓名：颜邦益班级：核化121班学号：20124150130 目前 , 全世界核发电能力约350GW , 每年产生的乏燃料约10 500t , 累计存量达到130 000 t 。乏燃料中含有大量的U、Pu、次量锕系元素 (MA) 和裂变产物 (FP) , 其中的锕系元素 ( 如 Pu 、 Np 、 Am 和 Cm 等 ) 和长寿命裂变产物 (LLFP) 构成了对地球生物和人类环境主要的长期放射性危害。这一问题如不能妥善解决 , 则将制约核能的持续发展。近年来 , 国际上正在积极开展先进燃料循环体系或洁净核能体系的研究 , 其目标是降低核电生产成本 , 提高核电生产体系的经济性 ; 减少废物产生量 , 促成生态和谐 ; 充分利用铀资源 ; 确保核不扩散。 一、燃料循环体系概念 目前 , 国际上有2种核燃料循环方式 , 即“一次通过” (once 2 through cycle) 和“后处理燃料循环” (reprocessing fuel cycle) 。所谓“一次通过”方式 , 是将乏燃料作为废物直接进行地质处置。由于乏燃料中包含了所有的放射性核素 , 要在处置过程中衰减到低于天然铀矿的放射性水平 , 将需要10 万年以上。所以 , “一次通过”方式对环境安全的长期威胁“后处理燃料循环”方式是通过后处理将乏燃料中的 U 和 Pu 提取出来进行再循环 , 以充分利用铀资源。 后处理所产生的高放废液(HLLW) 经玻璃固化后进行地质处置。由于玻璃固化废物中含有所有的 MA 和 FP , 其长期放射性危害依然存在。如果将 MA和LLFP 从 HLLW 中分离出来 , 则所制得的玻璃固化废物存放 10 3 a 左右后 , 其放射性毒性即可降至天然铀矿水平。如果将分离出的 MA和 LLFP 通过嬗变使之转变成短寿命或稳定核素 , 则核能生产对环境可能造成的放射性危害可减到很低的程度。同时 , 嬗变过程中所释放的能量也可以利用 , 从而进一步提高铀资源的利用率。 MA 和 LLFP 的分离嬗变方案是对“后处理燃料循环”体系的延伸 ,在此基础上 , 将形成“先进燃料循环” (advancedfuel cycle) 体系。 不同燃料循环方式下核废物长期放射性风险。“先进燃料循环”体系是对现有核能生产及其燃料循环体系的进一步发展 , 它是现有的热堆燃料循环与将来的快堆或加速器驱动系统(accelerator 2 driven system , ADS) 燃料循环的结合。随着快堆和 ADS 燃料循环的逐步引入 , 今后的先进后处理技术将同时处理热堆和快堆乏燃料以及嬗变靶件 , 实现U、Pu的闭路循环和MA 的嬗变。与现有的燃料循环体系相比 , 先进燃料循环体系应具有更高的铀资源利用率、更好的核能生产经济性、更佳的环境安全性以及更强的防核扩散能力。为此 , 今后的燃料循环过程将进一步简化。例如 , 在满足快堆燃料循环要求的前提下 , 水法后处理可开发“一循环” Purex 流程 , 钚产品对FP 的去污因子可降至103 , 这可能使投资费用降低 1/ 2 ～ 1/ 3 , 产品的强辐射还能提供防核扩散屏障。如果今后干法后处理能够实现工业化 , 则具有更好的经济性和防核扩散能力。 后处理的去污水平降低要求后 , 相应的燃料元件的制备过程必须实现远距离操作 , 由此导致的费用上升可以通过简化燃料元件制备工艺得以补偿。燃料循环过程中产生的 Pu 、 MA 和LLFP , 将在快堆或 ADS 中燃烧或嬗变 , 以减少其长期放射性危害 , 保证环境安全 , 并利用燃烧过程中释放的能量。“先进