[科普中国]-闭式燃料循环

介绍

闭式燃料循环指铀钚的再循环，或在热堆或在快堆中再循环以期获得燃料的有效利用。我们说单单发展压水堆，最终可以利用铀资源的1%左右，而发展了快中子增殖反应堆则对铀资源的利用率将提高到60%～70%，就是基于闭式的燃料循环而言的。

闭式燃料循环所包括的重要环节是：（1）核燃料加工厂；（2）核电站；（3）乏燃料后处理厂；（4）运输、保安、安全、环境影响、废物处理和处置及退役。

铀、钚在热堆再循环只稍稍提高对铀资源的利用率。由于用钚作为热中子堆燃料时会有更多稀有锕系核素的产生，因而再循环次数越多，则后处理时的屏蔽要求越高，一般进行2～3次再循环就不宜继续了。所以热堆再循环不是最有效的最终的再环循方式，也就是说，发展核能的国家，应该走向铀钚快堆再循环，达到充分利用核资源，最终只剩较易于处理和处置的一般放射性废物，完成对核裂变能的完整而有效的利用。2

热堆核燃料闭合循环热堆闭合循环可适度提高铀资源利用率和减少放射性废物体积。热堆核燃料闭合循环方式是通过后处理将热堆乏燃料中的Pu和U提取出来，回到热堆进行再循环,以提高铀资源利用率。热堆电站乏燃料中大约含有95%的U、1%的Pu、4%的FP与MA。经后处理得到的钚与贫化铀混合，制成铀钚混合氧化物(MOX)燃料。MOX燃料中的钚含量受热堆反应性的限制，由于Pu-239裂变时发射的缓发中子数目远低于U-235所发射的，故MOX燃料中的钚含量不能太高,以免反应堆失控。MOX燃料中钚含量一般为5%～ 10%(其中易裂变Pu-239的含量为60%～ 65%)，其使用效果相当于U-235富集度为4. 5%的UO2燃料。此举可节省2. 5%～ 3%的分离功(SWU)。粗略估算，7吨UO2乏燃料后处理得到的钚(约70kg)可制成1吨MOX燃料。

MOX燃料在堆芯的装载量为1/3时，反应堆设计无需改变。一般而言，1t MOX燃料(70kg钚)在热堆电站中可以消耗约33%钚(23kg)，但有10%(7kg)转变为次锕系核素。这表明钚在热堆中循环一次可以使铀资源的利用率提高约20%。如果分离出的U也回到热堆中循环，铀资源的利用率还能提高约10%。一座1000MWe PWR核电站每年卸出的乏燃料约为25t，经后处理产生的高放玻璃固化废物约为5t。这意味着，与乏燃料直接处置相比，后处理高放废物量降低至约五分之一。CO-GEMA公司UP3后处理厂的运行经验表明，后处理产生的需要地质处置的所有长寿命废物体积低于0. 5m³ /tHM(0. 115m³高放玻璃废物和0. 5 m³中放α废物)，而乏燃料直接处置的体积为2 m³ /tHM(COGEMA 1996年数据)。后处理分离钚在热堆中循环一次后的放射性毒性可比乏燃料降低3～5倍。按理论推算，经热堆多次循环后，需处置废物的长期放射性毒性可降低10倍，但是这需要几十年才能实现。当然,后处理高放废物中仍然含有所有的次锕系核素(MA)和长寿命裂变产物(LL-FP)，其长期放射性危害依然存在。

由于热堆燃料循环仅能使铀资源的利用率提高0. 2～ 0. 3倍，循环过程又受到许多限制，故其对核能可持续发展的贡献是相当有限的。

快堆燃料闭合循环核裂变能的可持续发展取决于铀资源利用的最优化和核废物的最少化，快堆及其燃料闭合循环恰好能同时满足这两个要求。采用快堆闭合循环，一般认为可使铀资源的利用率提高50～ 60倍。由此可见，只有发展快堆及其燃料循环系统，才能充分利用铀资源，实现核能的大规模可持续发展。

在上世纪60～ 70年代核能发展的早期，人们以为核电会迅速发展。考虑到地球上铀资源难以满足热堆电站的长期使用，核燃料快堆闭合循环在核工业发展的初期就被视为核能发展的最佳方案。只是由于在过去的20～ 30年核能发展的速度远比预期的低，快堆电站的技术、经济性能也尚不能与热堆电站相比，导致了快堆商用化的进程大大推迟和分离鈈的大量积累(目前已达200t左右)。为了降低分离钚的存量及其核扩散风险,一些国家转而实
施钚在热堆中再循环的方案。

如前所述，按目前全世界核电站(363GWe)对核燃料的使用水平，地球上已探明的常规铀资源(130$ /kg)仅能使用60～ 70年；即使实现钚的热堆循环，也只能维持80～ 100年。据IAEA组织的INPRO计划的预测, 2020年和2050年全世界核电装机容量将分别达到600 GWe和1 700 GWe。显然，如果不走快堆增殖燃料之路，地球上已探明的常规铀资源将无法满足今后世界核能发展的需要。

在快中子谱条件下(包括快中子临界堆和次临界堆)，所有锕系核素都具有一定程度的裂变性能。所以，快堆不仅可以焚烧Pu的各种同位素，而且可以嬗变MA。LLFP的嬗变依赖于热中子俘获反应，在快堆包裹层中建立热中子区即可实现LLFP(如Tc 99和I 129)的嬗变。由此可见，通过快堆核燃料闭合循环(包括分离-嬗变)，不仅可以充
分利用铀资源，实现铀资源利用的最优化，还能最大限度地减少高放核废物的体积及其放射性毒性，实现核废物的最少化。3