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        CANDU-6型重水堆釷-鈾燃料循環(huán)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

        2021-06-04 03:32:58
        科技視界 2021年12期
        關(guān)鍵詞:后處理經(jīng)濟(jì)性成本

        班 釗

        (中核核電運(yùn)行管理有限公司運(yùn)行五處,浙江 嘉興314000)

        1 課題研究意義及背景

        能源問(wèn)題是人們最關(guān)注的問(wèn)題之一。隨著我國(guó)核能事業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)核燃料鈾的需求將越來(lái)越大,但天然鈾的資源非常有限。釷作為可轉(zhuǎn)化為核燃料的資源,是一種核能發(fā)展的潛在資源。我國(guó)是一個(gè)鈾礦資源比較貧乏,而釷儲(chǔ)量相對(duì)比較豐富的國(guó)家。因此,尋找一條高效的釷資源的利用途徑對(duì)于解決核燃料的短缺問(wèn)題具有重要意義。

        釷的資源大約比鈾豐富3~4倍。作為一種易于開(kāi)采的資源。因此,釷燃料能夠補(bǔ)足鈾燃料,確保核能的可持續(xù)發(fā)展。天然釷中100%是232Th,沒(méi)有易裂變核。在反應(yīng)堆內(nèi)由239Pu或235U這類易裂變核放出的中子被232Th吸收后生成233U是易裂變核,其相關(guān)反應(yīng)可由式(1)~式(3)表示:

        作為核燃料,233U具有優(yōu)良的核性質(zhì)。

        2 計(jì)算方法介紹

        根據(jù)前人的研究成果,傳統(tǒng)的鈾循環(huán)成本計(jì)算九因子公式如下:

        式中各項(xiàng)分別為:

        天然鈾的費(fèi)用F1

        天然鈾的轉(zhuǎn)化成本F2

        鈾濃縮成本F3

        燃料元件加工費(fèi)用F4

        乏燃料元件運(yùn)輸費(fèi)用F5

        中間貯存費(fèi)用F6

        乏燃料封裝/處置費(fèi)用F7

        鈾收益F8

        钚收益F9

        3 技術(shù)方案的比較和選擇

        3.1 燃料循環(huán)模式

        3.1.1 自持穩(wěn)定釷循環(huán)(SSET)

        最終的保存鈾的策略為SSET,即self-sufficient equilibrium thorium cycle。這個(gè)概念的重點(diǎn)是233U達(dá)到自持,即再生的新燃料中的233U等于乏燃料中的量。理想的SSET不需要天然鈾。這種循環(huán)僅第一次233U裝料需要外部生產(chǎn)。從燃料利用可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)看,SSET是利用釷的最好策略。

        3.1.2 直接自循環(huán)

        直接自循環(huán)的概念是:通過(guò)再次利用照射過(guò)的氧化釷燃料元件(含233U),可以直接從釷中得到額外的能量,無(wú)須后處理過(guò)程。對(duì)每一個(gè)再循環(huán)過(guò)程,混合燃料元件中氧化釷元件的再次利用,可得到額外的大約20 MWd/kg的燃耗。

        3.1.3 一次通過(guò)式釷循環(huán)(OTT)

        OTT(Once Through Thorium cycle)強(qiáng)調(diào)通過(guò)謹(jǐn)慎的燃料裝載就地生產(chǎn)和焚化233U。OTT循環(huán)在乏燃料中留下了數(shù)目穩(wěn)定將來(lái)可以再生的233U,但何時(shí)利用需要經(jīng)濟(jì)或資源方面的考慮來(lái)決定。這個(gè)循環(huán)創(chuàng)造了一個(gè)寶貴的被安全儲(chǔ)存于乏燃料中的233U來(lái)源。

        3.2 關(guān)于技術(shù)方案選擇的小結(jié)

        就資源合理利用的可持續(xù)發(fā)展以及盡量解決能源危機(jī)的角度來(lái)說(shuō),實(shí)現(xiàn)釷基閉式循環(huán)是大勢(shì)所趨。然而在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,只能暫時(shí)求其次。

        由于秦山三廠CANDU堆目前的燃料循環(huán)即為一次通過(guò)式鈾循環(huán),因此在短期內(nèi),不對(duì)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)做較大變更的情況下,較容易實(shí)現(xiàn)的是釷鈾混合OTT式循環(huán)。

        4 成本計(jì)算

        4.1 計(jì)算程序簡(jiǎn)介

        計(jì)算所用程序是借用清華大學(xué)工程物理系核能所畢業(yè)生范黎同學(xué)開(kāi)發(fā)的關(guān)于釷鈾燃料循環(huán)成本的計(jì)算程序。程序是基于Windows系統(tǒng)下的C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)??墒褂媚J(rèn)的缺省入口參數(shù)或手動(dòng)修改入口參數(shù),以計(jì)算不同堆型不同技術(shù)方案的燃料循環(huán)成本。

        4.2 入口參數(shù)

        不同技術(shù)方案的入口參數(shù)具體列在表中。為了便于相互之間的比較,各種技術(shù)方案使用了相同的入口參數(shù)項(xiàng)目。

        4.3 計(jì)算結(jié)果——各技術(shù)方案成本組成對(duì)比

        成本組成的對(duì)比列于表1中。

        表1 成本組成對(duì)比(%)

        4.4 小結(jié)

        由上可見(jiàn),盡管隨著技術(shù)的進(jìn)步,釷燃料發(fā)揮的作用越來(lái)越大,但由于鈾燃料的天價(jià)以及反應(yīng)堆對(duì)鈾的需求量仍然較大,使得前端購(gòu)買鈾燃料棒的費(fèi)用(包括天然鈾、轉(zhuǎn)化、鈾濃縮和鈾棒制作等環(huán)節(jié))依然是影響核燃料循環(huán)成本的最重要因素。即使在最理想的技術(shù)方案中,這一部分還是占到了40%左右。第二重要的因素,對(duì)于CANDU堆應(yīng)用釷—鈾燃料循環(huán)來(lái)說(shuō),是在循環(huán)后端,乏燃料貯存以及后處理的費(fèi)用。

        在各種方案橫向?qū)Ρ戎胁浑y發(fā)現(xiàn),釷燃料的利用率越高,電廠對(duì)于鈾燃料的需求量越低,則平準(zhǔn)化發(fā)電成本越低。要想使釷燃料得到更充分的利用,以進(jìn)一步降低成本,就必須加大對(duì)后處理技術(shù)環(huán)節(jié)的前期投入。這是一對(duì)矛盾。從整個(gè)壽期來(lái)看,越早實(shí)現(xiàn)釷燃料入堆,越能降低平均發(fā)電成本。

        5 總結(jié)與討論

        釷作為一種優(yōu)點(diǎn)眾多的資源,在核能開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域擁有很大的潛力。對(duì)鈾資源不夠充足而稀土資源非常豐富的中國(guó)來(lái)說(shuō),尤其如此。特別是秦山三廠兩臺(tái)CANDU—6型重水堆,具有高中子經(jīng)濟(jì)性、增殖率高、不停堆換料、簡(jiǎn)單可變的燃料棒束設(shè)計(jì)以及優(yōu)良的燃料循環(huán)靈活性和燃料適應(yīng)多樣性等優(yōu)點(diǎn),不論是應(yīng)用釷基燃料循環(huán)進(jìn)行研究還是商業(yè)運(yùn)營(yíng)方面都具有壓水堆無(wú)法比擬的先天優(yōu)勢(shì)。

        5.1 釷-鈾燃料循環(huán)策略綜述

        全球釷儲(chǔ)量十分豐富。中國(guó)的稀土資源世界第一,釷的儲(chǔ)量也非常巨大。ThO2燃料采用傳統(tǒng)冶金方法,在還原性或氧化性氣體中進(jìn)行冷壓和高溫?zé)Y(jié)。ThO2-PuO2,ThO2-UO2燃料可以采用:冷壓和高溫?zé)Y(jié)、注入法、溶膠凝膠微球體制粒過(guò)程(SGMP)來(lái)進(jìn)行制造。

        釷鈾燃料策略從宏觀上,分為開(kāi)式和閉式兩大類。開(kāi)式循環(huán)的情況,目前研究的比較成熟的策略為一次通過(guò)式釷循環(huán)(OTT),可能是最先投入商業(yè)運(yùn)行的釷鈾燃料循環(huán)策略。而能夠不停堆進(jìn)行換料的CANDU重水堆無(wú)疑是率先實(shí)現(xiàn)商運(yùn)釷鈾燃料循環(huán)的最佳選擇。

        閉式循環(huán)策略也稱為自持穩(wěn)定釷循環(huán)(SSET)。在這個(gè)概念下,能夠?qū)崿F(xiàn)233U的自持穩(wěn)定循環(huán),不需要外界加入分裂物質(zhì)。這將是充分利用釷的最好策略。

        綜上,從技術(shù)角度來(lái)說(shuō),為了核能利用的可持續(xù)發(fā)展和資源的充分合理利用,實(shí)現(xiàn)自持穩(wěn)定釷循環(huán)(SSET)是大勢(shì)所趨。在目前技術(shù)能力還達(dá)不到的情況下,結(jié)合CANDU堆的特性和目前較成熟的OTT式循環(huán)技術(shù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),以及本文前面章節(jié)所做的調(diào)研和分析,可以得出結(jié)論:實(shí)行直接自循環(huán),無(wú)論是從技術(shù)成熟度和可操作性,對(duì)秦山三廠現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備的改造程度,還是經(jīng)濟(jì)性幾方面來(lái)看,都是比較理想的方案。

        5.2 釷—鈾燃料循環(huán)經(jīng)濟(jì)性分析綜述

        在燃料循環(huán)的三個(gè)階段里,循環(huán)前端占的比例最大,對(duì)總體的影響最大。

        隨著鈾價(jià)走高,鈾資源日益短缺,釷基燃料循環(huán)在可持續(xù)發(fā)展能力和經(jīng)濟(jì)效益上的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)顯露無(wú)遺。所以,及早引入釷鈾新型燃料循環(huán),并在釷鈾循環(huán)中盡量減少鈾的用量,提高釷的利用率和燃耗,是最大限度降低發(fā)電成本的不二法門。

        就文中所得到的經(jīng)濟(jì)性分析方面的數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看,CANDU堆在引入釷鈾循環(huán)的各種可能的技術(shù)方案中的平準(zhǔn)化發(fā)電成本全面低于現(xiàn)行鈾循環(huán)。在現(xiàn)有CANDU堆內(nèi)實(shí)行以DUPIC為驅(qū)動(dòng)燃料的帶后處理的混合堆芯一次通過(guò)式(OTT)循環(huán),是降低燃料循環(huán)成本的一條非常切實(shí)可行的路線。在技術(shù)便捷性和對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的影響以及先期投入等方面,直接自循環(huán)方案仍然占有優(yōu)勢(shì)。在經(jīng)濟(jì)性方面,直接自循環(huán)也僅次于前面提到的DUPIC循環(huán),仍然可以顯著降低平準(zhǔn)化發(fā)電成本。

        5.3 對(duì)進(jìn)一步工作的展望

        論文中還存在著一些缺陷,首先,釷基燃料循環(huán)中釷的后處理部分有關(guān)工藝和具體成本組成沒(méi)有調(diào)研到;其次,后處理環(huán)節(jié)中回收鈾、钚的收益由于計(jì)算程序上的局限沒(méi)有納入考慮;還有就是由于時(shí)間關(guān)系,敏感性分析做的不到位。

        對(duì)于核電廠來(lái)說(shuō),首要的任務(wù)是安全運(yùn)行,保障核安全??陀^上無(wú)法承擔(dān)技術(shù)創(chuàng)新的骨干任務(wù)。但是在新技術(shù),新機(jī)遇,新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)面前,每一家企業(yè)都沒(méi)有理由畏縮不前。

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