我國(guó)能實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展的快堆及相關(guān)閉式核循環(huán)

我國(guó)能實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展的快堆及相關(guān)閉式核循環(huán)

中國(guó)經(jīng)濟(jì)仍在快速發(fā)展，一次能源生產(chǎn)也在迅速增長(zhǎng)。表1列出了2001-2006年我國(guó)一次能源生產(chǎn)的發(fā)展情況。能源的可持續(xù)、安全的供應(yīng)是國(guó)家穩(wěn)定發(fā)展的重要保證。核能是能源大家庭中的新成員,它具有安全性、可靠性、清潔性、經(jīng)濟(jì)性,可以大規(guī)模利用。我國(guó)已決定到2020年,核電運(yùn)行裝機(jī)容量將達(dá)到4000萬(wàn)千瓦,在建裝機(jī)容量將達(dá)到1800萬(wàn)千瓦。1990年,國(guó)務(wù)院核電辦、國(guó)家計(jì)委、國(guó)家科委、能源部、機(jī)電部、中國(guó)核工業(yè)總公司等共同制定了我國(guó)核電發(fā)展“八五”計(jì)劃和“十年規(guī)劃綱要”,隨后,國(guó)務(wù)院核電領(lǐng)導(dǎo)小組組織全國(guó)性論證,提出了2050年我國(guó)核電將發(fā)展到約240GW,占總發(fā)電量的16%~20%。未來(lái),核能將大規(guī)模替代化石燃料,進(jìn)而減少CO2的排放。1原子能的可持續(xù)發(fā)展我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家,對(duì)能源需求很大,所以不僅需要大量的核能作為能源保證,而且核能增長(zhǎng)速度也要加快。1.1燃料無(wú)限次循環(huán)天然鈾中,易于裂變的鈾-235只占0.71%左右。對(duì)于1000GW的核電站,建壓水堆只要用建快堆一半鈾-235的量就能運(yùn)行,所以各國(guó)發(fā)展核能都是從熱中子堆開始的。但是壓水堆對(duì)鈾資源的利用率太低,如果燃料一次通過(guò),只能利用鈾資源的0.45%左右;若乏燃料經(jīng)后處理,提取出未燒盡的鈾-235和由鈾-238轉(zhuǎn)換出來(lái)的钚,再返回堆中利用,且無(wú)限次循環(huán),考慮損耗,從數(shù)學(xué)上也只能利用1%左右,而從中子學(xué)的角度是難以實(shí)現(xiàn)的。所以,一座1000MW壓水堆,燃料一次通過(guò),60年壽命總共要消耗10000t天然鈾。大規(guī)模發(fā)展壓水堆,應(yīng)考慮到可采鈾資源的有限性和可采鈾資源實(shí)際上存在的不確定性?？於咽俏覈?guó)核能發(fā)展基本戰(zhàn)略中的第二步。快堆中引起裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的中子平均速度比熱中子堆的中子快上千倍。快堆運(yùn)行發(fā)電時(shí),一方面消耗易裂變?nèi)剂?另一方面又生產(chǎn)新的易裂變?nèi)剂?而且能達(dá)到所產(chǎn)多于所耗,易裂變?nèi)剂系玫搅嗽鲋?所以快堆又稱為快中子增殖堆。在快堆中真正消耗的是鈾-238。發(fā)展快堆,燃料無(wú)限次循環(huán),從理論上可將鈾資源的利用率提高到100%?？紤]到燃料后處理和制造中的損耗,如圖1所示,利用率可達(dá)60%~70%。比起發(fā)展壓水堆,鈾資源的利用率可提高60~70倍,甚至130~150倍。钚在快堆中有好的中子經(jīng)濟(jì)性,壓水堆生產(chǎn)的钚最適于作快堆的燃料。鈾-235作為壓水堆裝料,壓水堆生產(chǎn)的钚作為快堆初裝料,快堆自己增殖,通過(guò)閉式循環(huán),將天然鈾充分地利用,這是一個(gè)自然的完美匹配,所以我國(guó)核能發(fā)展的基本戰(zhàn)略是熱堆——快堆——聚變堆。1.2系核素和長(zhǎng)壽命嬗變產(chǎn)物核能的發(fā)展除應(yīng)考慮核燃料是否能支撐大規(guī)模核電裝機(jī)容量發(fā)展的問(wèn)題,還應(yīng)考慮乏燃料中的長(zhǎng)壽命核廢物的問(wèn)題。表2列出了壓水堆核電站運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命核廢物。這些長(zhǎng)壽命廢物要衰變?nèi)陌偃f(wàn)年才能降到與天然鈾相當(dāng)?shù)姆派湫远拘运?。隨著核電裝機(jī)容量的增長(zhǎng),次量錒系核素(MA)和長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物(LLFP)的積累會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生潛在威脅,必須妥善處置,最好的辦法是將它們嬗變掉?？於咽且钥熘凶舆\(yùn)行的堆,這些MA在快堆中可以當(dāng)裂變?nèi)剂蠠?國(guó)外研究指出,一座1000~1500MW大型快堆,可以嬗變掉5~10座同等功率的壓水堆所產(chǎn)生的MA,對(duì)LLFP可在快堆反射層中建立高通量熱中子區(qū)輻照嬗變掉。加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(ADS)嬗變能力更強(qiáng),它實(shí)用后可使深埋廢物量大為減少。2壓水堆-快堆發(fā)展戰(zhàn)略鈉冷快堆在我國(guó)是一種全新的核工程技術(shù),為降低工程發(fā)展中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn),建議我國(guó)快堆工程發(fā)展分為三步:中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR),中國(guó)示范快堆(CDFR),大型增殖經(jīng)濟(jì)驗(yàn)證性快堆(CDFBR),繼而商用推廣,見表3。在CDFR之后,考慮了兩種可能性,一是參與我國(guó)核電容量的發(fā)展,即可模塊化、一址多堆地推廣CDFR型電站,稱為CCFR-B增殖堆核電站;另一種可能性是如果MA分離技術(shù)、在快堆中嬗變MA和長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物的經(jīng)驗(yàn)已足夠,如ADS技術(shù)尚未成熟,便一址多堆地推廣CDFR,稱為CCFR-T焚燒堆核電站。圖2給出了用批量600MW快堆焚燒2020年和2030年壓水堆分別發(fā)展到32GW和50GW產(chǎn)生的MA量的降低趨勢(shì)。800~900MWCDFR將有更高的焚燒效率。所以第一個(gè)戰(zhàn)略目標(biāo)是2020年前建成800~900MW中國(guó)示范快堆核電站,2030年一址多堆地推廣運(yùn)行,如5~6座800~900MW的商用快堆電站。大規(guī)模發(fā)展核電,如達(dá)到100GW以上,現(xiàn)實(shí)的解決途徑是壓水堆-快堆匹配發(fā)展并實(shí)現(xiàn)閉式燃料循環(huán)。如果(1)我國(guó)壓水堆的裝機(jī)容量2020年和2030年至少分別發(fā)展到40GW和60GW。(2)大型增殖快堆采用鈾钚鋯三元合金,其燃料循環(huán)參數(shù)如表4所示。(3)適時(shí)配套閉式核燃料循環(huán)。根據(jù)分析,只要2030年左右能批量建成高增殖(鈾钚鋯裝料)快堆CCFBR,則壓水堆給快堆的钚的積累和快堆自身增殖,理論上可以使我國(guó)核電在2050年發(fā)展到353GW容量水平。圖3給出了我國(guó)電力裝機(jī)的發(fā)展預(yù)測(cè),即單獨(dú)快堆發(fā)展到201GW。所以第二個(gè)戰(zhàn)略目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)2050年核電裝機(jī)容量發(fā)展到約240GW。由圖3看出,預(yù)計(jì)2050年我國(guó)總電力裝機(jī)容量將達(dá)到1650GW。發(fā)展高增殖快堆,可使燃料年增率超過(guò)10%。理論上,可以在2100年前,實(shí)現(xiàn)從2050年全國(guó)電力1650GW起,年增長(zhǎng)率按5%達(dá)到的總電力裝機(jī)全部由快堆提供(見圖4),顯示了可能對(duì)國(guó)家減少CO2排放有重大的意義。所以我國(guó)發(fā)展快堆的第三個(gè)戰(zhàn)備目標(biāo)是2050-2100年用核能大量替代化石燃料,實(shí)現(xiàn)減排CO2為目前之半的目標(biāo)。3中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆的主要技術(shù)選擇我國(guó)快堆技術(shù)的發(fā)展,從開始基礎(chǔ)研究到工程發(fā)展的第一步中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆已經(jīng)歷了40余年的歷史,選定了實(shí)驗(yàn)快堆、示范快堆,商用快堆一致的主要技術(shù)選擇。中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆已具備原型快堆的特征,為后續(xù)快堆打下自主