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。