核燃料循环

我国核能发展及核燃料循环计算

摘要：对我国能源现状、能源供应存在的问题及面临的严峻减排任务进行了分析，认为大力发展核电是我国现阶段的必然选择。中国现阶段核燃料循环战略的选择应该以保证能源独立性为出发点，围绕着尽可能多囤积铀资源的目标，综合考虑环境及安全因素，选取一次通过循环与部分后处理的战略。针对我国提出的核能发展规划，并依据合理的假设，对核燃料循环进行了计算，研究了2010-2030年间，核电所需的铀资源，分离功，卸出的乏燃料以及乏燃料中Pu和MA的产生量。

1 大力发展核电是中国的必然选择

中国现阶段的能源结构已经不能满足于国家发展的需要。长期以来，我国能源消费主要以煤炭为主，2009年煤炭占一次能源消费的75%。以煤炭为主的能源结构造成环境的严重污染，SO2和CO2的排量都占世界第一位，煤炭的开采破坏当地的生态环境。同时煤炭资源分布不均，产地主要集中在西北，而消费主要集中在东南沿海，每年煤炭运输占铁路货运量的40%[1]，造成了交通运输的紧张。全球CO2的排放对气候产生了影响，几乎所有的国家都认同如果不进行C排放的限制，全球气候将极有可能巨变，因此减排是一个全球性的目标。如果实现在21世纪中叶达到中等发展国家水平的发展目标，一次能源消费会突增为54亿吨标准煤，大约是2007的2倍。因此，为满足经济、生态、环境、人文的可持续发展，实现CO2的减排目标，建立低碳型社会，就必须对能源结构进行调整，大力发展替代煤炭的资源。

在能源消费结构中，除煤炭之外还有油气资源，水能资源、可再生能源和核能。我国是一个缺油国家，已成为全球第二大石油进口国。国际油价起伏波动会对社会与经济造成影响，同时也严重威胁国家能源安全。我国的水资源丰富，水电的理论可开发资源达6.94亿KW，经济可开发资源4.02亿KW，居世界第一位[1]。但是由于受到工业布局和交通条件的限制，西藏、云南地区的部分水利资源无法开发，因而实际可开发资源为240-260GW，不可能完全解决煤电的替代问题。

据估算，我国陆地上可开发利用的风能大约2.5亿KW，海上可利用的风能约7.5亿KW，共计10亿KW[2]。我国的生物质能分布广泛，农业、林业的剩余物可用于能源用途，折合约6亿吨标准煤。全国陆地表面每年接受的太阳辐射能相当于1700亿吨标准煤。有人曾提

出建议，在25万平方千米的沙漠地区建立能源基地，仅以15%的光电转化率来计算，将能年提供约50亿KW的电力[3]。50亿KW的电力足以解决中国未来能源的需求。

我国的“十一五”规划纲要中指出要积极推进核电建设。核能是先进的能源技术，是清洁能源，不排放二氧化硫、烟尘、氮氧化物和二氧化碳。而且核发电机组具有较高的可靠性，能量密度高，燃料成本影响小。以核电替代部分煤电，是电力行业减排有害污染物的有效途径，对于促进经济社会发展与资源环境相协调，实现可持续发展，具有重要意义。核电是高技术密集产业，发展核电有利于推动我国产业技术进步，促进产业结构优化升级。同时核技术是典型的军民两用技术，发展核电也能促进我国核威慑力量的提升，实现我国的核战略目标[2]。

世界上很多发达国家都形成较大规模的核能产业，确定了将核能作为基础能源的发展方向。2004年，核电占全国发电量的比例分别为，美国20%、法国77.7%、日本25%、韩国40%、德国32%、俄罗斯15.6%[2]。由于风能与太阳能更多的受地域与天气等外在因素限制，风不能天天吹，太阳也有落山的时候，加之太阳能发电的技术不成熟，成本偏高，与核能相比，作为基础能源没有优势。根据核电大国核能发展的经验，为缓解我国现阶段能源供应与环境、经济的矛盾，大力发展核电是我国现阶段的必然选择。

2 中国燃料循环战略的选择

核大国对于选择何种核燃料循环战略并没有达成一致，而是基于各自的研究结果和国情选择了适合本国核能发展的燃料循环战略。美国、瑞典等国家选择了一次通过战略，而法国、日本坚定执行再循环战略[1]。

美国选择一次通过战略的理由主要有三点：一是经济性更有竞争力，二是防止核扩散，三是后处理后高放废物处理的安全性差。

法国、日本选择再循环战略的理由也有3点：一是经济性可接受，二是后处理的环境效益，三是保证资源供应。

对于一次通过循环与再循环并没有绝对的好与坏，选择何种循环战略必须本国的国情及经济可接受能力而定。中国应该制定符合自身的循环战略，不一定局限于他国的选择。中国的燃料循环战略应该更灵活，我的想法主要有以下几点：

（1）我国在制定核燃料循环时应该有一个出发点或目标，围绕这个目标制定相应的技

术路线。我认为当今中国应当大量囤积可用铀资源，尤其在铀将作为未来很长一段时间的能源的情景下，不仅备国防需要，更要备能源之用。铀相对而言是一种稀缺而且高品质的能源，尤其对中国而言，在能源危机即将到来的年代，决定国家命运的必定是能源。我国经济建设取得巨大成就，外汇储备有2万多亿美金。为了经济增长，污染了环境，破坏了生态，现在是回馈环境、生态的时候了。拿着国人的血汗钱买美国贬值的国债，不如进行“干货”投资，囤积铀资源，保障资源的独立性。

（2）现阶段核燃料循环战略的选取应该围绕增加铀储备，综合经济性，环境效益，核扩散及安全各方面影响，全面衡量优劣。

（3）中国在未来几十年内应该选择一次通过核燃料循环+部分后处理的战略，这同美国、日本和法国的循环战略是不同的。目前采用一次通过比后处理更经济，只有在铀价非常高时，进行后处理和再循环才有经济意义，据估计未来一段时间内铀价不会急剧的增长。一次通过的乏燃料可进行储存，乏燃料的储存也是一种资源的囤积。

（4）中国应当积极发展后处理及再循环技术的研发，探讨再循环方式，但是在未来几十年内并不将再循环纳入中国核燃料循环战略。中国正处于大规模利用核能的起步阶段，因此不会出现法国所担心的由于乏燃料的积累迫使反应堆的关闭。美国的电站面临这一形势，但是美国50年核能利用累计的结果。只要我国建立足够大的地质贮存库，在中国未来几十年内不会出现这一情况。几十年内更应注重后处理及再循环技术的研发和示范验证，相信在中国，有技术和资金的情况下，平地建起庞大的后处理厂不是难题。

（5）在后处理技术成熟，分离钚、铀与高放毒物的成本可接受的情景下，开始大规模的后处理，分离出可用燃料及毒物。只要在国际市场上获取铀的代价可接受，而且在可预计的未来裂变能不会被短期代替，就坚持热堆的一次通过循环战略，分离出的可用于快堆燃料和储备。只有在国际市场上很难获得铀的情景下，启用热堆的再循环。

（6）在未来铀短缺情景下的循环方式必定是再循环方式，而且在核燃料的循环中必定包括锕系毒物的再循环，这是环境效益与放射性危害的必然要求。未来的核能园区应当是第四代先进快堆与先进热堆的组合，一种更先进的燃料循环战略。

3 2030年前核燃料循环计算

我国制定了庞大的核电发展规划，2020年的装机容量由原规划的40GW增加大70GW，

中国核电进入了快速发展时代。按照设定的发展速度，对天然铀的需求量、分离功、乏燃料产量、可分离钚和MA的积累进行了计算。 3.1 核电发展情景假设

根据核电发展规划，假设了两种装机容量增长情景，到2020年核电装机总量达到40GW和70GW，并以线性增长的预计，到2030年核电装机总量为。在线性增长中，考虑到核电人才储备及设备加工能力，以每年15GW为最大增长率。2030年前，中国核电主要以PWR为主，燃料循环为一次通过，乏燃料不进行后处理，全部进行电厂乏燃料水池和地质库储存。2020年之前的新增机组容量为1GW，2020年之后新增机组的容量为1.5GW。

表1 2030年前核电装机容量

年份 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030 方案1(GW) 方案2(GW) 20 20 23 26 26 33 30 42 35 55 40 70 46 85 53 100 61 115 70 130 80 145 160140120装机容量GW10080604020020102015 方案1 方案2202020252030年份3.2 计算参数说明

容量因子CF：我国现有PWR核电站的平均容量因子为85%，考虑运行经验的积累，容量因子会逐步提高，因此在计算中选90%。

燃耗Bd：广东核电及秦山二期的燃料组件升级为AFA-3G，燃耗深度为52GWd/tHM。AP1000的燃耗深度50GWd/tHM。在2030年前，新建核电主要以PCR1000与AP1000系列，因此平均燃耗Bd为50GWd/tHM。

发电效率η：PWR压水堆的发电效率受热力循环的限制，发电效率η为33%。 Pu和MA：乏燃料中Pu、MA的含量与堆芯功率及燃耗深度有关，乏燃料的组分主要通过ORIGEN2计算。本文时间有限，并不应用ORIGEN2计算，而是引用已有数据。燃耗为50GWd/tHM的PWR乏燃料中Pu含量为1.33%，MA为0.12%[4]。 3.3 计算过程说明