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世界核燃料循环产业现状(三) ——核燃料技术及产业发展


核燃料循环工业是一个超长产业链的高端产业,包括核燃料循环的前端技术,如铀资源开采技术、铀转化技术、铀浓缩技术、核燃料组件制造技术等;核燃料循环的后端技术,如乏燃料后处理技术等。


核燃料技术的发展

1 铀资源开采技术

目前,世界范围内的铀矿开采主要有3种方法:露天开采、地下开采和原地浸出法(ISR)。

露天采矿主要在澳大利亚、尼日尔、纳米比亚等地采用,这些地方的铀矿床相对比较接近地表,可采用爆破、反铲挖土机和自动倾卸卡车挖取。而像加拿大萨斯喀彻温省北部的阿萨巴斯卡流域,则采用地下开采技术。

露天采矿和地下采矿都是比较困难的岩石采矿法。

原地浸出法也称为溶液采矿法。这种方式对地表不会有太大影响,也没有残渣和废石产生。美国的原地浸出法主要采用碳酸钠溶液,而澳大利亚和哈萨克斯坦主要采用硫酸。

第四种开采法是铀矿作为其他矿物开采的副产物或共产物而被开采出来。而铀作为共产物,世界上最大的一个矿山是澳大利亚的必和必拓属下的奥林匹克坝矿山。该矿可同时开采出约80%的铜、约20%的铀和少量的金(<1%)。

2013年,铀产品采矿总产量中地下开采17198tU,占比29%;露天开采10977tU,占比18%;原地浸出27496tU,占比46%;副产品3966tU,占比7%。


2 铀转化技术


按照转化对象不同,铀转化分为天然铀转化、浓缩铀转化和贫铀转化三类。

世界上建有铀转化生产系统的国家有美国、英国、法国、加拿大、澳大利亚、印度、巴基斯坦、南非、西班牙、俄罗斯和中国。

长期以来,由于国际铀转化价格低迷,铀转化在核燃料循环中所占比重很小,使得各国在铀转化技术改进投入不足,局限于现有工艺的挖潜。随着核电在世界范围内复兴,加上俄罗斯高浓铀协议到期,铀转化的需求将不断增长,已有多家大公司规划提升铀转化产能。其中AREVA集团决定投资6亿欧元建造现代化的铀转化设施,称为ComurhexⅡ。ComurhexⅡ的生产能力为15000~20000tU/a。该项目综合了世界铀转化的先进技术,结合法国铀转化厂几十年的运行经验和铀转化技术研究成果和最新技术创新,采用脱硝技术替代硝酸铀酰氨水沉淀和煅烧工序,不再消耗氨水和不再产生结晶母液,而且脱硝产生的氮氧化物回收成硝酸,实现物料的循环利用。因此,脱硝技术的采用和硝酸根回收系统的设计,使AREVA铀转化工厂缩短了生产流程,降低了试剂消耗,减少了废液、废气的排放,使其生产技术水平处于世界领先地位。这也是世界铀转化发展的趋势。

在制造核电厂用燃料组件过程中,目前国际上采用五种铀转化工艺流程:重铀酸铵转化流程(ADU)、三碳酸铀酰铵流程(AUC)、全干法流程(IDR)、流化床法(FBP流程)和火焰反应法。目前世界上用ADU法生产反应堆用UO2的占42%,用AUC法的占23%,用各种干法流程生产的占35%。

堆后铀(后处理回收的铀)的转化工艺,与天然铀转化基本相同,以便铀的重新富集再利用。


3 铀浓缩技术


国际上比较成熟并已用于工业规模生产的铀浓缩技术有气体扩散法和气体离心法,激光同位素分离法还处于工程研发阶段。

气体扩散法是早期的浓缩技术,已逐步被气体离心法所替代。全球最后一个大型的气体扩散厂――美国铀浓缩公司(USEC)的帕度卡工厂已于2013年关闭。

而气体离心技术是目前世界范围内的主导浓缩技术,至少有9个国家拥有商业用浓缩离心厂。

铀浓缩的激光同位素分离技术,一类是原子蒸汽激光同位素分离(AVLIS),另一类是分子激光同位素分离(MLIS)和同位素选择性激光活化化学反应(CRISLSA)。激光同位素分离法的能量利用效率要超过离心技术。该技术最早由澳大利亚SILEX系统公司组成的科研团队研发,目前归通用电气、日立和卡梅科所属的联营公司拥有,计划将在美国建成新的实验回路和中间工厂,分阶段实现商业化。


4 核燃料组件制造技术


就压水堆核燃料组件而言,美国西屋公司、法国AREVA公司及俄罗斯TVEL公司占据了大部分国际压水堆燃料组件市场,成为世界上三大技术主流。

从2003年开始,韩国开始了具有完全自主知识产权的HPF组件研制,该组件预计于2015年开始商业供应。此外,韩国原子能研究院还自主研究开发了高性能HANA锆合金,预计于2016年投入韩国核电厂正式使用。

MOX燃料组件在压水堆核电厂中的应用已有多年的商业实践经验,其应用的国家和核电厂数量正在不断增加。因此,它的设计制造和使用方面的研究是元件发展的重要内容。国外先后共建造了24座MOX燃料工厂,其中,轻水堆MOX燃料厂和快中子增殖堆的MOX燃料厂各占一半,已取得生产许可证的有12座。

除了压水堆燃料组件与MOX燃料组件以外,由加拿大与韩国合作开发研制的CANFLEX重水堆燃料组件、加拿大原子能公司研制的稍加浓铀CANDU燃料组件(SEU)、钍燃料组件也在研究开发之中。目前,世界上有加拿大、韩国、印度、罗马尼亚、中国、巴基斯坦、阿根廷7个国家生产重水堆燃料组件。与此同时,世界上还对第四代核电的六种核能系统燃料组件进行了研究和开发,为今后核能技术发展做好新的准备。

在燃料组件包壳研制方面,主要集中在开发耐腐蚀性能、吸氢性能、力学性能好及辐照尺寸稳定的材料。当前已经商业应用的有法国的M5合金、美国的Zirlo合金、俄罗斯的E110等;处于试验阶段和即将商业应用的有俄罗斯的E635合金、日本的NDA合金和韩国的HANA合金。

轻水堆燃料组件的上、下管座进一步研究改进主要是继续降低压降和降低不锈钢用材的钴含量,以提高热工水力性能和减少工作人员的辐射剂量。定位格架的进一步改进是继续提高热工水力性能。导向管进一步优化设计和制造工艺,使之性能进一步适应高燃耗燃料组件的发展。燃料棒是历年来投入最多、取得经验和成果最为丰富的部件,也是进一步研究与发展的重点。继续提高燃耗和解决高燃耗带来的问题,仍是燃料棒进一步研究与发展的主题与动向。


5 乏燃料后处理技术


从20世纪40年代起,世界上开发了大约40余种后处理流程,先后建成了40余座后处理设施。目前可用于民用后处理乏燃料的总额定能力为5000tHM,包括后处理研究堆乏燃料的小型后处理设施和提供国际商业服务的大型后处理厂。

化学分离纯化过程是乏燃料后处理的主要工艺阶段,根据是否在水介质中进行分为湿法和干法两大类。在早期的后处理研究中,一般认为干法流程比湿法流程优越。然而,干法流程也有许多缺点,因而阻碍了它的普遍应用。PUREX湿法后处理流程已被广泛应用,是目前各国用来对核电厂乏燃料进行后处理的工艺流程。

先进的后处理技术的研发要着重以下方面:与开放式核燃料循环中乏燃料直接地质处置的费用相比,要减少后处理成本;回收所有锕系元素和长寿命裂变产物,以减少需处置的废物的体积和毒性;建立适应性强的技术,其中包括新型式和结构的燃料、第三和第四代反应堆、高燃耗的乏燃料等;再循环所有的可裂变产物(减少核扩散的风险),作为最终结果会改善公众对核能的接受程度。


核燃料产业发展趋势

1 核燃料循环前端


从目前世界范围内铀矿生产成本分析,约78%的铀矿山的生产成本低于130美元/kgU,这一生产成本与当前的长期期货价相当。对比2030年以前的资源量需求,全球生产成本小于80美元/kgU的已查明的低成本铀资源量可基本满足至2030年的天然铀需求;生产成本小于130美元/kgU的已查明的中成本铀资源量可基本满足至2050年的天然铀需求。

未来对铀市场具有重要影响的因素还有:新反应堆建设的增长需求、特大铀矿项目投产、大规模存货时代即将结束、金融机构对市场影响增加。

对于铀转化市场来说,需要更高的价格或补贴来激励新工厂的建设。

铀浓缩市场的趋势正在发生较大变革。亚洲将成为主要的新增分离功供应市场。2013年,持续20多年的美俄高浓铀协议结束,但市场主要依靠大部分的首次供应。其它二次资源,如再加工铀及MOX燃料在未来10年内仍不能扮演重要角色。

燃料组件市场正向着合并和国际联盟的方向发展,未来燃料组件市场将长期处于供大于求的局面,燃料合同特别是新反应堆的燃料合同可能会实行全段燃料捆绑,即铀、铀转化、铀浓缩和组件制造相结合。


2 核燃料循环后端


乏燃料后处理

相对于核燃料循环前端和核电产业的逐步走向市场化,核燃料循环后端(尤其是后处理)始终由各国政府主导,置于国家控制之下,但这并不代表各国将抛弃核燃料循环后端的市场化。决定各国是否实行乏燃料后处理政策的主要因素有五个,分别为:铀资源供应情况、国土承受能力、国际政治博弈、反恐和防止核不扩散、后处理的经济性。

后处理最大的不利包括:全球丰富的分离钚并未计划被回收;法国有一个年处理能力850吨的闲置厂房;目前的轻水堆并不需要太多钚,而是需要分析和适应使用MOX燃料;MOX燃料的制造昂贵;美国的政策可能会将后处理变回到消极的立场;公众以及防扩散团体继续反对后处理。

从全球来看,扩大后处理的障碍包括技术问题、经济挑战以及防扩散问题。因此,未来核燃料循环的后端市场预计只能缓慢增长,特别是未来20年,天然铀燃料的成本仍具吸引力。

乏燃料和高放废物管理

在IAEA看来,乏燃料的长期暂存已被视为一种储存管理的步骤,但不是最终策略。先进燃料循环技术、快堆技术并不能改变对废物最终处置的需求。乏燃料及高放废物的深地质处置作为一种安全、永久、可靠的隔离高放物质处置模式已得到了广泛的认可。

在欧盟范围内,安全管理乏燃料和放射性废物指令于2011年颁布实施。根据该指令,在一般情况下,乏燃料和放射性废物必须在产生它的成员国内处置。指令允许在欧盟国家之间共享处置设施。

美国蓝带委员会(BRC)于2012年1月29日向美国能源部提交了一份正式报告,提出了美国当前核废物管理的八条建议:美国需要一个新的、取得共识的未来核废物管理设施的选址策略;成立一个新的、专门负责核废物管理项目的机构;合理管理与使用核废物基金;尽快建设第二个最终地质处置设施;建设中间贮存设施,对核电站的乏燃料进行安全转移;对将来可能出现的大规模乏燃料和高放废物往中间贮存设施或最终处置设施的运输早做准备;支持核能科技创新和人才培养;美国需要继续在国际核安全、核废物管理、防核扩散及安全工作方面积极担任领导角色。

后端市场前景预测

按照2010年美元币值对核燃料循环后端市场2008~2030年的全部费用进行的评估,其间每年的市场份额约为80~100亿美元,2008~2030年总计约2000亿美元。其中,核设施退役占比最多,约55%;其次是乏燃料后处理,占比约25%;中低放废物处理处置、乏燃料干式贮存、高放废物处理处置分别占7.3%、6.2%和5.7%。

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随着第一代反应堆和燃料循环设施的关闭和停止运营,退役市场的规模已经达到约50亿美元/年。以2010年美元币值计算,每年以1.25%的速率缓慢增长,至2030年将达到60亿美元左右。全球退役市场目前的趋势是,新退役公司的入围,公司的合并与合作提高了服务广度,国际市场向更多公司开放。

以2010年美元币值计算,放射性废物处理与处置的市场费用每年以1.25%的速率逐步上升。当前放射性废物处理与处置的趋势是,单位费用极大地增加。放射性废物管理方面的服务供应商正在开发新技术以更好地对废物进行分类和隔离,废物产生者也正在开发和采用更好的方法来确定废物源并减少废物量。同时,他们也在不断寻求方法以减少电厂运行时他们对放射性废物管理和处置方面的责任,以及电厂最终退役时的责任。另外,核电厂设计者们正在采取更好的工艺和方法以减少电厂运行期间产生的放射性废物量。


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