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各国核循环发展现状



法国是世界核大国之一,已建立起独立、完整和较大规模的军、民用核工业体系。在民用方面,法国目前共有58个核电机组,核电在全国发电总量中的比例高达75%,且拥有凤凰和超凤凰快堆。2012年,法国开始设计先进钠冷示范快堆(Astrid),并规划2040年实现快堆的商业规模应用。同时,法国建立了从铀矿勘探、开采、转化、浓缩、燃料元件制造、后处理、高放废物玻璃固化、核设施退役完整的核燃料服务体系。法国核能发展战略采取核燃料闭式循环的方式,是对核燃料循环后段采取后处理政策最坚决的国家之一。因此,法国的后处理工业和技术在此国家战略方针的指导下得到了积极发展。法国于1949年11月20日,首次分离出来了毫克级的钚,随后经过六十余年的发展,已成为世界上后处理规模最大、技术最成熟的国家。

法国先后建成过UP1、UP2和UP3三座后处理厂,其中UP1位于法国最早建立的原子能工业生产基地——马库尔核工业中心,UP2和UP3均位于阿格后处理中心(见图1和图2)。

UP1作为军用后处理厂,建于1956年,1958年投产运行,其开始主要目的是提取武器级钚,处理生产堆镁合金包壳的天然铀元件。后来经过一些技术改造,该厂先后可以处理石墨气冷动力堆元件,产氚堆、材料试验堆的U-Al合金元件与Pu-Al合金元件,用途也由单纯提取钚到提取铀、钚,还曾提取过镎、锶和铯。到1997年正式关闭时,UP1已处理了18600吨气冷堆乏燃料。

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图1  法国阿格后处理基地远景图

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图2  阿格中心核设施分布图

阿格后处理中心位于法国西北部大西洋岸边的科坦丁半岛上,其建设工作开始于1961年,是法国现在最重要的商用后处理基地,也是目前世界上最大的轻水堆乏燃料后处理中心。UP2于1967年1月正式运行,其原设计也是处理平均燃耗为4000MWd/tU的石墨气冷堆金属元件,处理能力为750~800吨/年。由于法国的钚生产堆和早期动力堆属同一种堆型,因此UP2和马库尔基地的UP1处理的燃料元件十分相似,都为由镁合金包壳的、添加微量钼或其他元素的铀合金棒组成,因而UP2的工艺也与UP1相似。早期的UP2在1966年至1975年共处理了气冷堆燃料2406吨。为适应核电堆型的变化,法国在1972年至1976年间对UP2进行了改造,使之成为年处理能力为400吨轻水堆氧化铀燃料(平均燃耗33000MWd/tU)的UP2-400。截至1992年底,UP2-400共处理了气冷堆燃料2490吨,凤凰快堆燃料10吨,轻水堆燃料3739吨。UP2-400不但满足了法国初期同时处理气冷堆燃料和轻水堆燃料的需求,而且为法国积累了丰富的轻水堆乏燃料后处理经验和丰富的运行数据,为以后的UP3和UP2-800的成功运行奠定了基础。

UP3是法国1976年决定发展氧化物燃料后处理事业的主体工程,建造始于1982年,1992年所有工艺车间都投入运行。UP3年处理能力为800吨轻水堆氧化铀燃料,连同UP2-800的扩建工程在内,估算投资为500亿法郎,但其建设、调试还是运行,都是在阿格基地整体后处理环境中进行的。UP3和UP2-800均采用普雷克斯(PUREX)流程,其设计处理燃料为氧化物燃料,初始U-235浓缩度为3.25%,燃耗为33000MWd/tU,冷却时间为3年。UP3在第一个十年的运行期内,为德国、日本、瑞士、比利时、荷兰处理了合同中的近7000吨乏燃料,2000年正式结束了国外后处理协议,完全归法国所有。

UP2-800在之前UP2-400的基础上,新建了玻璃固化车间、首端车间、化学分离车间等一些其他设施,使其成为年处理能力为800吨乏燃料的工厂(见图3)。UP2-800的其主要的技术,包括工艺流程、设备、控制、监测等和UP3相似,但是UP3的运行经验及时地反馈到了UP2-800中,很多地方根据具体情况做了优化和改动。由于UP3前期主要处理国外的乏燃料,所以UP2-800开始主要是处理本国核电站的乏燃料。

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图3  UP2-800与UP3的设施关系图

UP3和UP2-800原来是分别申请的运行许可证,1999年,原法国核材料总公司(COGEMA)重新向法国当局申请修改现有的两个运行许可证,申请在2000年结束后处理服务合同后,将两个厂总的后处理能力限定为1700tHM/a,同时对处理燃料的限定等作了修改。这样,UP3和UP2-800将不再是两个独立的工厂,而是作为一个多用途的工厂——阿格厂整体运作,除了主要的工艺厂房是独立的,大多数公用设施和各种辅助车间都是公用的。阿格厂若满负荷运行,可承担90~100台百万千瓦级核电机组每年产生的乏燃料的后处理任务。

阿格厂在运行期间不断的进行技术改进,现在工厂的铀钚回收率为99.88%,流程处理初始235U浓缩度达3.7%,燃耗为45000MWd/tU,最短冷却时间为4年的BWR或PWR燃料。阿格厂的T0干法卸料能力为800吨/年,NPH湿法卸料能力为800吨/年,整体湿法贮存能力为14400吨(见表1和图4)。法国认为阿格厂不用做重大的改动,技术上就可处理新一代的燃料(指燃耗较高的UO2燃料和MOX燃料)。

表1  UP2-800与UP3的水池及贮存能力

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图4  阿格厂的湿法贮存设施布置示意图

法国在发展核能初期,原子能工矿企业几乎完全由CEA掌握。1976年,法国核材料总公司成立,为法国原子能委员会100%的子公司,是世界上唯一经营全部核燃料循环的公司。2001年法国核工业进行了重大改组,成立了AREVA集团,AREVA将法国原子能委员会工业集团、法马通先进核能公司、法国核材料总公司和法马通国际连接件公司的全部业务汇集在一起,组成了目前全球最大的核工业集团,拥有5万余名职工。其涉及核燃料的主要业务有:在国内外进行铀矿勘探、开采、铀矿石加工、转化、铀浓缩、燃料元件制造;乏燃料后处理、裂变材料再循环、废物整备、核设施退役以及咨询服务。AREVA的天然铀生产、铀转化和浓缩铀占全球市场的20%~25%,占压水堆燃料制造的35%,世界上1/3的反应堆都使用该公司的产品和接受各种服务,后处理能力占世界乏燃料后处理能力的65%。

在法国,从核电站中卸出的乏燃料所有权归核电企业(EDF)所有,为了降低回收钚的储存费用,减少天然铀元件的采购量,法国核电企业根据闭式循环的政策要求,对MOX燃料的需求也在不断增长。因此,AREVA集团自主投资,在马库尔基地建设了一座新的MOX燃料制造厂——MELOX工厂,该工厂于1986年开始设计,1990年开工,1995年建造完成,1997年达到现在的生产能力100tHM/a。该工厂选择先进的MIMAS流程来生产MOX燃料。在1998年的试验过程中,MELOX工厂的生产潜在能力被证实可达每月20吨。2012年,该厂生产了150吨MOX燃料。

目前,阿格厂已累计处理的轻水堆乏燃料量已达约两万吨,其中国外核电站乏燃料约一万吨,此外,还处理了20吨MOX燃料,10吨快堆燃料,4896吨气冷堆燃料。法国电力公司每年产生约1200吨乏燃料, 2009年以前每年将其中的850吨运往阿格后处理厂进行处理,可回收约8.5吨钚和810吨堆后铀,回收的钚被立即送往马库尔基地的MELOX工厂制造成约100吨混合氧化物燃料。从2010年起,法国电力公司每年送至阿格后处理厂的乏燃料增加到了1050吨。在2011年之前的几年,由于大部分海外合同到期,加之没有签署新合同,阿格厂的实际年处理量仅为800吨至1000吨乏燃料。2011年下半年,阿海珐集团与国内外核电企业签订了若干份新合同,使其实际产量在2012年至2014年将达到1250吨,2015年以后的目标产量为1500吨/年。

UP3和UP2-800的联合工程的实施和成功,使法国坐上世界商用后处理的头把交椅,其UP3与UP2-800也成为成熟商业后处理的典范。法国通过对该联合工程的巨大投入,促进了法国后处理产业和相关联的一些高科技产业的大力发展,相应的科研与技术也在世界上处于领先地位,同时,法国通过对国外客户提供后处理服务已直接获得了较好的效益。


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