MOX燃料_国外MOX燃料发展现状及态势扫描

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MOX燃料应用于快堆核电站是实现核燃料闭式循环的最重要途径,是将来的主要发展方向。目前,国外多个国家已经实现了MOX燃料在快堆和压水堆核电站上的成功应用,可有效提高铀资源利用率,取得了明显的经济效益、社会效益和环境效益。2004年国际上MOX燃料实际应用比例约占全部核燃料的2%,2010年这一比例达到约5%。我国MOX燃料应用方向研究要结合核能发展战略、压水堆核电站快速发展和示范快堆电站积极推进的现状,研究MOX燃料在快堆核电站应用的技术和经济可行性。

根据西方国家核燃料循环的发展经验,凡是走核燃料闭式循环路线的国家,进行MOX燃料工业开发和应用的3个必要条件是:第一,轻水堆或其它堆核电站总装机容量已达到1000万千瓦,卸出的乏燃料累积量持续增加,钚利用可以形成一定工业规模;第二,建成400~800吨/年乏燃料后处理厂(指核电自主开发的国家),可为MOX燃料生产提供源源不断的PuO2原料;第三,建成与后处理厂规模相匹配、厂址相毗邻的MOX燃料厂,尽量缩短PuO2粉末的库存时间,最好在6个月内制成MOX燃料,并在两年内入堆使用。

国际上MOX燃料技术研究始于20世纪50~60年代。美、比、法等国早期分别在ANL、BN和Cadarache实验室内掌握了MOX燃料制造技术。法、美率先分别于1970年、1971年在Rapsodie、SEFOR实验快堆内考验了MOX燃料组件。截止到20世纪80年代末,大多数建成的快中子堆(包括实验、原型和验证堆)都成功地使用了MOX燃料。

自1985年之后,有关国家为了消耗掉因计划发展快堆MOX燃料而贮存的大量钚,不得不转向MOX燃料在轻水堆(LWR)核电站的商业应用。1987年11月,法国第一批16个AFA型的17×17 MOX燃料组件入堆;1995年之后,每年有11批MOX燃料组件入堆。截至2004年底,全世界已累计生产各类MOX燃料约1840tHM。在欧洲商用PWR中辐照的MOX燃料单棒的平均燃耗达到了52GWd/t,在试验组件中最高达到了60GWd/t。

欧洲有40余座轻水堆获得了使用MOX燃料的许可证,其中30座反应堆装载了MOX燃料,还有20座刚取得应用许可证或许可证正在审批程序中。日本有20多座轻水堆计划使用MOX燃料。大部分反应堆的1/3堆芯装载了MOX燃料组件,有些新设计的第三代反应堆可装载50%的MOX燃料组件。日本甚至有一座反应堆被批准装载100% MOX燃料组件。MOX燃料的利用并不改变反应堆的运行特性,虽然反应堆必须为使用MOX燃料而对设计稍加改动,例如需要更多的控制棒。对于MOX燃料装载量超过50%的反应堆,需要进行重大设计改变。从各国发展计划看,预计2020年后MOX燃料将在压水堆核电站中获得广泛应用。

至今有4个国家,即法国、俄罗斯、日本和印度的快堆尚在运行之中。英、美和德国都曾发展过快堆和快堆MOX燃料,但后来有关设施先后关闭。近年来快堆MOX燃料又在俄罗斯、法国、比利时、日本、印度等国得到了快速发展,法国和日本的快堆重新启动运行,俄罗斯已决定在商业快堆中循环利用钚。美国启动了先进嬗变快堆(ABR)和相关嬗变MOX燃料的研究。全世界有20多个快中子堆装载了MOX燃料。

国外MOX燃料厂一般都经历了从小型实验室逐渐过渡到中间试验厂、扩大工厂、大规模工厂等几个不同发展阶段。截至2006年,全世界共建造了约24座MOX燃料厂,其中轻水堆MOX燃料厂和快堆MOX燃料厂各12座。不包括德国已关闭的两座MOX燃料厂,共有12座MOX燃料厂取得了生产许可证。

法国:最早将MOX燃料用于压水堆和快堆

法国是最早将MOX燃料用于压水堆和快堆的国家之一。早在1962年,法国CFCa燃料工厂就开始小规模研制快堆MOX燃料,先后建造了两条FBR-MOX燃料研制生产线。1985年率先开发快堆,但由于技术难度大,问题不断,1998年停止大规模开发。1985年法国电力公司(EDF)为了在其总装机容量为900万千瓦的PWR核电站中装载MOX燃料,将一条FBR-MOX燃料生产线改造成产量为15吨/年的PWR-MOX燃料芯块和单棒生产线,并于1990年投产。轻水堆MOX燃料组件的组装要在比利时与法国边境的FBFC国际燃料工厂或法国Marcoule的MELOX燃料工厂进行。1987年,第一批16个AFA型的17×17 MOX燃料组件入堆辐照。1988~1989年又装入5批共计80个MOX组件。1990~1993年,每年都装入80个MOX组件。1995年之后,每年MOX燃料组件供应量增加至11批。

法国还耗资10亿欧元,于1991年开始建设所谓第二代的120吨/年MELOX燃料工厂,1995年建成投产。与其它MOX燃料厂不同的是,MELOX厂采用已在CFCa、FBFC厂证明成熟可靠的工艺技术,但对富钚颗粒尺寸和其中钚含量控制要求更加严格;增加了碎屑、粉末和芯块废物的回收利用设施;自动化程度非常高,可使用老钚或高燃耗降质钚,可生产高钚含量的轻水堆MOX燃料,操作人员的个人剂量降至最低,且实际产量提高至135~150吨/年。

据报道,截至1994年,法国累计生产500多吨MOX燃料;到2004年,法国MELOX和COGEMA Cadarache 工厂已累计将26tHM钚用于制造约1230 tHM MOX燃料。2003年EDF公司申请放松对其使用MOX燃料的某些限制条件,以便通过增加LWR-MOX燃料的钚含量(由7.08%增加到8.65%)和提高燃耗水平来处置不断增加的库存钚。截至2010年,法国共有22个反应堆装载了MOX燃料。到2012年底,法国已累计有5900个MOX燃料组件在39个轻水堆核电站中使用。

法国坚持闭式核燃料循环,在后处理和MOX燃料使用实践方面积累了成熟的经验。截至2012年,将每年产生的约1200吨乏燃料全部进行后处理,分离得到的约12吨钚被用于制造MOX燃料在22座轻水堆核电站中再循环利用。从7个UO2乏燃料组件提取的钚可用于制造1个轻水堆MOX组件。法国10%的核电来自于MOX燃料;每年卸除约140~200吨MOX乏燃料存起来,以备未来第四代快堆对钚的需求。

2007年开工、2010和2011年两度宣布推迟完工的欧洲首座压水堆EPR核电站将于2016年在法国建成投入运行。EPR堆芯将采用均匀布置的MOX燃料,设计PuO2含量为10%,单一钚含量将简化MOX燃料的制造,增加堆芯稳定性和均匀性,增强堆芯管理灵活性。

法国认为未来核能要实现可持续发展,必须进行铀和钚的多次再循环、次锕系元素的再循环和推进快堆核能系统的应用。只有这样,才能避免对浓缩铀的需求依赖,实现铀的充分利用和钚的有效燃烧,并彻底改进废物管理。ASTRID先进示范快堆早期将使用MOX燃料,将来可能使用碳化物燃料和金属燃料。

美国:MOX燃料的起起落落

美国在20世纪70年代初建成了处理能力为1500吨/年的商用后处理厂和5个小规模、总产能为50~70吨/年的MOX燃料制造厂,但基于卡特政府当时提出的核不扩散政策,美国于1977年决定采用“一次通过”(乏燃料经简单处理后直接进入地质处置)循环方式,该后处理厂后来被无限期关闭并最终被拆除,MOX燃料生产也被迫停止。

根据《美国钚平衡1944~2009》报告,美国目前拥有钚总量为95.4吨,现有7万吨民用乏燃料存在核电厂址中,为未来深层地质处置高放废物带来很大压力。以目前在役核电站计算还将产生约12万吨乏燃料。

2005年美国能源部发布了先进燃料循环倡议(AFCI)发展规划,目前至2050年,美国的核燃料再循环属于“过渡”阶段,其主要任务是针对美国核电站运行几十年已经积累的大量乏燃料的情况,开发新型后处理和焚烧快堆技术,消耗从轻水堆乏燃料中分离出的钚和次锕系元素。在2050年之后,美国核燃料再循环将进入“可持续”阶段,将利用后处理分离产生的堆后铀或贫化铀进行燃料增殖,以确保核能可持续发展。

2006年2月,美国小布什政府提出了“全球核能伙伴(GNEP)”倡议,否定了卡特政府的“一次通过”核燃料循环政策,恢复包括后处理厂和MOX燃料制造厂在内的核燃料闭式循环方案,计划于2020年左右建成具有防止核扩散功能的2500吨/年后处理厂,2016年左右建成处理武器钚的MOX燃料厂(MFFF)。2006年,美国制定了未来20年的嬗变燃料研究计划(TFC)目标:完成可应用于快中子焚烧堆(FBR)、包括全部锕系元素的嬗变燃料和靶件的初始技术规范,形成闭式燃料循环,以在未来核能发展中保持竞争优势。按规范制造嬗变燃料和靶件,通过堆内辐照试验,开展先进模型和模拟研究,在可预测和可接受的正常运行和瞬态条件下进行示范验证。

此外,美国与俄罗斯达成一份钚管理与处置协议,在建成和运行必要的设施之后,2018年之前将处理各自34吨武器钚。2005年3月31日,美国核管会(NRC)批准在商用反应堆首次采用MOX燃料运行成功后,在萨瓦纳河场区投资建造一座年产70吨MOX燃料的MFFF厂,用以处置其34吨武器拆卸钚,计划每年消耗钚约3.5吨。该厂于2010年开工建设,实际投资48亿美元,计划2016年建成,2018年开始投产。

2005年5月,美国用140公斤武器钚在法国帮助下制成4个轻水堆MOX燃料组件,之后在美国卡托巴核电厂进行辐照。2008年5月辐照两个18个月换料周期后检验发现,MOX燃料组件的导向管变长值超过了法国Areva的验收标准,但低于美国NRC的标准,目前已经卸出反应堆。研发过程并不是一帆风顺,最终确定MOX燃料的核电站用户仍然进展不大。

2012年5月,NRC自1979年三里岛事故30多年后首次批准了建造两个AP1000核电机组,计划分别于2016、2017年投入运行。AP1000核电站50%堆芯可装载MOX燃料组件。

考虑到未来对核能的需求、目前高放废物的管理和处置压力以及核能系统的安全性等因素,美国目前正在积极推进快堆和先进核燃料循环技术的研发。

俄罗斯:一直未停止MOX燃料研究

俄罗斯在20世纪50年代开始研究钚作为脉冲堆的燃料。20世纪70年代建成了3个FBR-MOX燃料制造厂,它们是:Granat、Paket(芯块法)和RIAR(振动密实法)。即使在20世纪80年代的发展低潮时期,俄罗斯也一直没有停止快堆和MOX燃料的研究。

目前,俄罗斯已有1座BOR-60试验快堆和1座BN-600原型快堆在运行,BN-800将于2014年建成,设计使用MOX燃料,用于示范闭式燃料循环和武器钚的处置再利用。俄罗斯正在建设一座30吨/年MOX燃料的DEMOX中试厂,预计2014年建成投产,采用直接混合工艺(COCA)为BN-800快堆生产供应MOX燃料。BN-1200快堆计划2020年建成,设计使用(U,Pu)N和MOX燃料,最终促进闭式燃料循环并明显改进快堆经济性。

日本:遇阻而方向不变

日本从1966年开始研制MOX燃料。在快堆商业化推迟的情况下,日本于20世纪70年代推出了“钚热利用计划”,致力于发展MOX燃料。1972年建造了含有两条MOX燃料生产线的工厂。根据日本与美国达成的后处理交涉,为了防止核扩散,日本后处理厂尾端不能单独分离钚,只能采用铀、钚不分离工艺,即将硝酸铀酰和硝酸钚溶液进行混合萃取和混合转化。1980年,日本将40公斤钚溶解成硝酸钚,并与硝酸铀酰按1:1比例进行混合后,采用微波脱销工艺制得(U0.5Pu0.5)O2固溶体粉末,再制造成先进热中子堆“普贤”(ATR)用的MOX燃料元件。

1988年,日本又投资320亿日元建成了一条全自动化的5吨/年PFPF燃料工厂,其MOX燃料生产能力足以供应Joyo和Monju两个快堆。

从1993年开始,日本电力公司计划将其乏燃料运往英国或法国进行后处理,并委托英国或法国将分离钚制成MOX燃料,运回日本反应堆内循环利用。1993年7月,日本用12个运输容器装载24个快堆MOX组件,从法国运回国内文殊快堆。1995年12月,文殊快堆发生二回路钠泄漏事故而中断运行,2003年1月运行许可证被吊销。文殊快堆重启受阻推延了日本快堆的开发。1997年,日本规划到2010年将有16~18个反应堆使用MOX燃料。

日本计划1998年之后其乏燃料将贮存在国内,待其六个所800吨/年后处理厂和130吨/年MOX燃料厂建成之后,自行进行乏燃料后处理和MOX燃料制造。但日本后处理厂和MOX燃料厂的建设和调试进度一再推延,其不得不继续从欧洲订购MOX燃料组件。2010年8月,又从法国运回32个轻水堆MOX组件。2013年4月,日本从法国运回10吨轻水堆MOX燃料组件。

日本六个所后处理厂从1985年开始筹备,费时20多年,2006年3月进行热试,耗资200多亿美元,但在热试过程中出现了各种问题,运行时间推延至2013年10月。2004年日本决定投资1200亿日元建造一座年产130吨MOX燃料的JMOX工厂,但因厂房抗震等级设计更改、新增固体废物的回收利用设施及申请追加投资预算,开工建设推迟至2009年,预计2015年6月建成投产,工程造价高达1900亿日元(24亿美元)。

印度:MOX燃料工厂建造中

印度于1994年在Tarapur建造了一座18吨/年BWR-MOX燃料工厂(AFFF)。印度一直坚持发展快堆和MOX燃料,1985年建成了印度实验快堆(FBTR),2002年决定建造一座500MWe原型快堆(PFBR),原计划2010年建成,实际将推延至2014年建成。

为此,印度几年前就开始建造一座100吨/年快堆MOX燃料工厂,以便为2020年前计划建造运行的5座快堆电站提供MOX燃料。

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