重水堆技術(shù)優(yōu)勢及發(fā)展設(shè)想

張振華，陳明軍

（秦山第三核電有限公司，浙江 海鹽 314300）

核電作為一種清潔、安全和經(jīng)濟(jì)的能源，技術(shù)發(fā)展成熟，在保障能源安全、改善能源結(jié)構(gòu)、控制環(huán)境污染等方面是最現(xiàn)實的解決途徑。就我國而言，發(fā)展核電是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要手段，是解決當(dāng)前及未來能源安全問題和環(huán)境污染問題的必然選擇，是厲行節(jié)能減排、減少溫室氣體排放，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的有效途徑，是順應(yīng)世界能源利用和發(fā)展趨勢的明智抉擇[1]。總體來說，大規(guī)模發(fā)展核電是符合科學(xué)發(fā)展觀要求的現(xiàn)階段最有效的能源解決途徑。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國確定了“積極發(fā)展核電”的方針，并制定了2020年建成4 000萬kW、在建1 800萬kW的規(guī)劃目標(biāo)，核電進(jìn)入了一個快速發(fā)展的階段。國內(nèi)相關(guān)企業(yè)集團(tuán)和地方政府紛紛響應(yīng)國家方針，大力參與核電建設(shè)，核電的規(guī)劃目標(biāo)正逐步落實，并有加快發(fā)展趨勢。

按照國家規(guī)劃，新建核電廠無一例外地選擇了壓水堆堆型，包括二代改進(jìn)型技術(shù)的CNP600技術(shù)、M310技術(shù)，以及三代技術(shù)AP1000等。壓水堆成為我國核電發(fā)展的主流技術(shù)。

但是，與作為發(fā)展主流的壓水堆相比，重水堆因其獨特的堆芯設(shè)計和運行特點，在技術(shù)上具有一定的競爭優(yōu)勢。立足于這些技術(shù)優(yōu)勢，通過對重水堆技術(shù)的開拓創(chuàng)新，可使重水堆具備“一堆多產(chǎn)”的能力，并且具備與壓水堆“互補(bǔ)運行”的特點。適度發(fā)展重水堆，作為壓水堆的補(bǔ)充，是符合科學(xué)發(fā)展觀及構(gòu)建環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會的國策的。

1 重水堆特點及技術(shù)優(yōu)勢

重水堆是世界上三大主流商用堆型之一，由加拿大原子能公司開發(fā)。我國從加拿大引進(jìn)的是兩座CANDU6型重水堆。重水堆具備如下特點：采用壓力管式堆芯結(jié)構(gòu)；以重水堆作為慢化劑和冷卻劑，慢化劑和冷卻劑分離；以天然鈾作為燃料；采用不停堆換料方式等。

由于重水堆采用重水作為慢化劑和冷卻劑，重水的中子吸收截面較小，慢化系數(shù)比輕水要大得多，因此，重水堆中子經(jīng)濟(jì)性很高，使其可以靈活使用包括天然鈾、稍濃縮鈾、回收鈾、MOX燃料、釷燃料等在內(nèi)的多種燃料循環(huán)方式。另外，獨特的堆芯設(shè)計還可以大量地生產(chǎn)60Co等多種同位素。

1.1 鈾資源利用率高

重水堆燃料轉(zhuǎn)化比高，燃燒充分，與壓水堆相比，可以節(jié)約大量鈾資源。秦山三核兩座CANDU6堆現(xiàn)在每年發(fā)電約110億度，僅需消耗191 t天然鈾，與壓水堆相比，每發(fā)電100億度可節(jié)約天然鈾52～80 t，天然鈾資源利用率高29%～47%(見圖1)。

圖1 國內(nèi)幾個核電機(jī)組發(fā)電100億度所消耗的天然鈾Fig. 1 Natural uranium consumption for several domestic NPPs to generate 10 TWh of electricity

1.2 可經(jīng)濟(jì)利用回收鈾

回收鈾在壓水堆使用時，必須經(jīng)過再濃縮。再濃縮后回收鈾燃料的放射性水平增大較多，而且234U和236U的同步濃縮需要額外增加235U豐度才能補(bǔ)償234U和236U引起的中子損失。因此，受放射性水平和吸收中子的同位素的制約，回收鈾再濃縮后在壓水堆上使用存在較大的不利因素，經(jīng)濟(jì)代價也較大。據(jù)國外研究和試驗使用的反饋，壓水堆使用回收鈾作燃料的濃縮和制造成本是天然鈾的3倍以上，而且其燃料利用率也相對較低。目前，國際上回收钚制成MOX燃料一定規(guī)模用于輕水堆已是成熟的技術(shù)，將來它還可裝入試驗和商用快堆使用，而回收鈾除少部分試驗性使用外，絕大部分被轉(zhuǎn)化成U3O8等比較穩(wěn)定的形式長期存放，大多數(shù)壓水堆業(yè)主不主張在輕水堆上使用再濃縮的回收鈾。

與壓水堆相比，在重水堆上使用回收鈾作燃料具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢：

（1）回收鈾在重水堆上使用不需要再濃縮。壓水堆回收鈾的富集度通常高于天然鈾的富集度，因此可作為一種稍濃縮鈾或者與貧鈾混成一種等效天然鈾在重水堆上使用。

（2）重水堆使用的未濃縮的回收鈾的放射性水平比壓水堆使用的再濃縮回收鈾燃料的放射性水平要低得多。重水堆上未經(jīng)再濃縮使用的回收鈾燃料，其放射性水平為天然鈾燃料的3～4倍。而濃縮到5%富集度的回收鈾的放射性水平是未經(jīng)濃縮的回收鈾的放射性水平的20倍以上，是濃縮的天然鈾燃料的放射性水平的80倍以上。

（3）重水堆使用回收鈾的燃料利用率明顯高于壓水堆。由于良好的中子經(jīng)濟(jì)性和高燃料轉(zhuǎn)化比，使得回收鈾在重水堆的利用率比壓水堆高50%以上。

（4）重水堆使用回收鈾燃料在技術(shù)上容易實現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)代價小。U3O8形式的回收鈾可直接用于重水堆燃料的原料；燃料制造工藝不需要太大的改造；輻照產(chǎn)生的鈾同位素成分濃度較低，對燃料和堆芯的物理、熱工和安全性能影響較小；燃料組件制造簡單；可通過重水堆特有的換料方式靈活地實現(xiàn)兩種不同燃料的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。

（5）重水堆使用回收鈾的經(jīng)濟(jì)性要明顯高于壓水堆。重水堆使用回收鈾將使整個燃料循環(huán)的成本降低30%。

以上這些特點彌補(bǔ)了壓水堆使用回收鈾的不足，使重水堆成為解決回收鈾利用的一條經(jīng)濟(jì)有效的途徑。

我國已確定走核燃料閉合循環(huán)和鈾钚分離的技術(shù)路線[2]，未來我國核電將主要以壓水堆為主，將來所有壓水堆的乏燃料通過后處理以后，勢必每年將產(chǎn)生大量的回收鈾和回收钚。而且，我國是少數(shù)幾個既有壓水堆又有重水堆的國家，如前所述，兩種堆型存在“互補(bǔ)型”運營特點,重水堆可以經(jīng)濟(jì)利用壓水堆乏燃料后處理回收鈾。這種循環(huán)既能更有效地利用回收鈾的資源，減少天然鈾的消耗和回收鈾的長期儲存費用，又不影響回收钚在壓水堆或者未來的快堆中使用，是我國很長一段時間內(nèi)比較理想的一種燃料循環(huán)方式。因此，實現(xiàn)回收鈾的循環(huán)再利用對于我國提高鈾資源利用率、減輕核燃料供應(yīng)壓力、減少高放廢物、維持核能可持續(xù)發(fā)展有著十分重大的意義，并使得核燃料閉式循環(huán)成為真正的現(xiàn)實。

1.3 可利用釷資源

世界上已探明的釷資源較為豐富，其含量是鈾的3倍。我國釷資源儲量豐富，居世界第二位，已探明儲量28.6萬t。釷在自然界主要以232Th同位素存在，它不是易裂變材料，需要在核反應(yīng)堆中通過核反應(yīng)轉(zhuǎn)化為易裂變核素233U。隨著核能技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到利用釷資源開發(fā)利用核能是可行的，而且和鈾資源利用相比在某些方面還存在一定的優(yōu)勢。

面對我國蓬勃發(fā)展的核電事業(yè)和我國鈾資源短缺而釷資源豐富的現(xiàn)狀，研究釷資源核能利用十分必要，對維持裂變核能可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。此外，在我國包頭的白云鄂博礦床蘊(yùn)藏了約占全國已探明資源量的77.4%的釷礦，包鋼在開采鐵礦和稀土礦的同時，也開采出了與之伴生的釷礦，沒有進(jìn)一步利用，對黃河和包頭的環(huán)境造成了很大的污染，急需治理。因此，無論從核燃料保障的角度還是從環(huán)境保護(hù)的角度來考慮，開發(fā)核能用釷技術(shù)并實現(xiàn)工程應(yīng)用都具有重要意義。

由于重水堆的一些固有特點，其在釷燃料利用方面具有很多優(yōu)點：因其可以不停堆換料，后備反應(yīng)性要求低，可以使用低濃鈾實現(xiàn)釷堆驅(qū)動；由于與壓水堆中子能譜的差別，重水堆生產(chǎn)的233U中232U的含量遠(yuǎn)低于壓水堆；重水堆換料靈活性好，容易實現(xiàn)釷燃料的靈活利用；加拿大已經(jīng)針對重水堆用釷開展大量研究工作，有充分的技術(shù)儲備。重水堆是實現(xiàn)釷資源核能利用的最可能的途徑。

2008年12月，國家能源局組織召開“釷資源核能利用專家研討會”。會議認(rèn)為，從核電規(guī)模發(fā)展和核燃料需求形勢來看，釷資源核能利用前景比較看好，并提出以重水堆核電站為突破口，開展國際交流和合作，通過重水堆用釷的技術(shù)研發(fā)，為實現(xiàn)我國釷資源利用的潛在發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1.4 重水堆其他技術(shù)優(yōu)勢

（1）同位素生產(chǎn)

重水堆具有大規(guī)模生產(chǎn)同位素的優(yōu)勢。重水堆的調(diào)節(jié)棒裝置主要用于功率控制、氙毒補(bǔ)償、堆芯功率分布展平，以及在裝卸料機(jī)發(fā)生故障的情況下，提供后備反應(yīng)性維持電站運行。調(diào)節(jié)棒裝置由21根調(diào)節(jié)棒組成，垂直布置。初始設(shè)計以不銹鋼為熱中子吸收體，正常運行時21根調(diào)節(jié)棒全部插入堆芯。如將原不銹鋼調(diào)節(jié)棒更換為59Co調(diào)節(jié)棒，即可通過59Co核素與堆芯內(nèi)豐富的中子發(fā)生核反應(yīng)，生產(chǎn)出具有極大使用價值的60Co同位素。只要新更換的59Co調(diào)節(jié)棒滿足設(shè)計要求，這個生產(chǎn)過程不會對反應(yīng)堆運行產(chǎn)生任何影響。2004年以來，我國每年從國外進(jìn)口鈷源都保持在700萬～800萬C i。國際上絕大多數(shù)鈷源是由重水堆生產(chǎn)的，且利用重水堆生產(chǎn)鈷源不影響機(jī)組正常發(fā)電，是有效利用資源的科學(xué)方法。2009年初，在秦山三期1號機(jī)組上成功實施了鈷調(diào)節(jié)棒更換，開始正式生產(chǎn)60Co。今后，我國兩座重水堆核電機(jī)組，每年可提供600萬Ci的60Co同位素，可以滿足國內(nèi)80%的鈷源需求。

（2）重水儲備

重水是重要的戰(zhàn)略物資。重水堆核電站每年需要補(bǔ)充一定量的重水，對維持我國的重水生產(chǎn)能力，確保重水儲量具有重要的戰(zhàn)略意義和作用。

2 秦山三核開拓創(chuàng)新重水堆技術(shù)的主要實踐

秦山三核進(jìn)入生產(chǎn)運行期后，在保證機(jī)組安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運行的同時，注重技術(shù)創(chuàng)新，先后成功組織實施了1號、2號機(jī)組汽輪機(jī)功率提升改造等技術(shù)攻關(guān)，受到國內(nèi)外同行的廣泛好評。近年來，秦山三核的技術(shù)人員立足于重水堆的技術(shù)優(yōu)勢，不斷開拓創(chuàng)新重水堆技術(shù)，取得可喜成績。

2.1 不銹鋼調(diào)節(jié)棒改為59Co調(diào)節(jié)棒生產(chǎn)60Co

為充分利用重水堆的資源優(yōu)勢，大規(guī)模生產(chǎn)60Co以滿足我國的鈷源市場需求，秦山三核從1998年就開始60Co生產(chǎn)相關(guān)的準(zhǔn)備工作，并于2008年6月獲得國家核安全局的批準(zhǔn)。

2009年初，首批鈷棒于104大修入堆。從一系列物理試驗結(jié)果以及半年多的運行情況來看，新入堆的鈷棒對堆芯的調(diào)節(jié)功能與原不銹鋼調(diào)節(jié)棒相當(dāng)，沒有對反應(yīng)堆的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運行造成任何不利影響。這標(biāo)志著60Co同位素生產(chǎn)項目獲得成功。2010年后，隨著輻照鈷棒的先后出堆，所生產(chǎn)的60Co同位素將滿足國內(nèi)80%的市場需要。

60Co項目中，從鈷調(diào)節(jié)棒設(shè)計直至最終生產(chǎn)出同位素應(yīng)用產(chǎn)品，整個過程全部依靠國內(nèi)自己的技術(shù)力量實現(xiàn)，在投入很小的情況下完成同位素生產(chǎn)的任務(wù)，一舉改變了國內(nèi)鈷源幾乎全部依靠進(jìn)口的局面，在實現(xiàn)國產(chǎn)化打破國際壟斷的同時，也為公司贏得了良好的社會聲譽(yù)。

2.2 推動壓水堆回收鈾在重水堆應(yīng)用的各項工作

2008年，秦山三核與中國核動力研究設(shè)計院、中核北方燃料元件有限公司、加拿大原子能公司等國內(nèi)外同行簽訂了技術(shù)合作協(xié)議，共同推進(jìn)回收鈾應(yīng)用項目。

回收鈾中235U的豐度高于天然鈾，用于重水堆時有兩種途徑：一種是直接應(yīng)用；另一種是與貧鈾按一定比例混合，使其堆物理性能與天然鈾等效，再加以利用。經(jīng)可行性研究確定采用兩步走的戰(zhàn)略，即先以等效天然鈾方式利用回收鈾，取得一定的經(jīng)驗之后再逐步實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益更高的回收鈾直接利用。

該項目于2008年完成可行性研究，2009年上半年完成等效天然鈾燃料以及其入堆示范驗證方案的設(shè)計論證，目前正在穩(wěn)步推進(jìn)實施工作。2009年8月初入堆示范驗證的申請報告已經(jīng)上報國家核安全局審評，首批向國外采購約900 kg回收鈾粉末的采購合同已簽訂，2009年11月到貨后即開始入堆示范驗證棒束的制造，2010年初可實現(xiàn)回收鈾試驗燃料的入堆，開始回收鈾燃料入堆示范驗證工作。同時，合作各方計劃開展回收鈾在重水堆的全堆芯應(yīng)用的研究設(shè)計工作。預(yù)計項目完成后，秦山三核兩個機(jī)組所需的核燃料將來可以全部由回收鈾和貧鈾混合而成，每年可節(jié)省天然鈾資源200 t。

2.3 組織開展重水堆利用釷資源的相關(guān)研發(fā)工作

2008年，秦山三核與中國核動力研究設(shè)計院、中核北方燃料元件有限公司、加拿大原子能公司等合作各方啟動了重水堆實現(xiàn)釷資源核能利用的研發(fā)工作。目前已基本完成可行性研究工作，并初步確定了以增強(qiáng)型坎杜6（EC6）重水堆為基礎(chǔ)采用低濃鈾驅(qū)動釷燃料的技術(shù)方案。

EC6重水堆參照了多個運行重水堆核電廠的經(jīng)驗反饋，借鑒了先進(jìn)壓水堆和重水堆的設(shè)計理念，對現(xiàn)有的CANDU6重水堆進(jìn)行了多項優(yōu)化和改進(jìn)，比如增加應(yīng)急排熱系統(tǒng)為第五套專設(shè)安全系統(tǒng)，采用先進(jìn)的分布式控制系統(tǒng)，提升機(jī)組出力，延長電站壽命到60年等，提升了機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)性能，滿足最新核安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在EC6重水堆上利用釷，將采用成熟的先進(jìn)高性能CANFLEX燃料結(jié)構(gòu)，其外圈的35根燃料棒中裝載低濃縮鈾作為釷利用的驅(qū)動燃料，內(nèi)圈的8根燃料棒中裝載純釷。初步設(shè)計考慮占機(jī)組壽命絕大部分時間的平衡堆芯平均采用1.6%的低濃縮鈾作驅(qū)動燃料，早期的過渡堆芯擬平均采用1.43%的低濃縮鈾作驅(qū)動燃料。平衡堆芯下低濃縮鈾/釷 (LEU/Th)的燃料組件的設(shè)計卸料燃耗可達(dá)到20 000 MW·d /tHE。該方案具有以下特點：

（1）“一次性通過”燃料利用率高

普通壓水堆的天然鈾消耗率為25.3 tNU/TW·h，高燃耗壓水堆為21.3 tNU/TW·h，普通的EC6重水堆為17.4 tNU/TW·h。而低濃縮鈾/釷燃料EC6重水堆可以將天然鈾的消耗降低到13.8 tNU/TW·h，實現(xiàn)了釷作為燃料的一次發(fā)電和有效利用，與前三者相比天然鈾消耗率分別降低了45.2%、35.2%和20.7%，實現(xiàn)釷核能利用、節(jié)省天然鈾資源效果顯著。

（2）方便將來后處理再利用

EC6重水堆的低濃縮鈾/釷燃料組件采用釷鈾分離的設(shè)計理念，將一定程度簡化釷燃料的后處理技術(shù)，有利于將來實現(xiàn)后處理循環(huán)再利用。并且，該組件的8根釷燃料棒在堆上輻照以后，產(chǎn)生的233U占釷乏燃料的比重將達(dá)到1.1%，而且每克233U成分中232U的濃度僅為（0.5～5）×10-9g，233U純度極高，相當(dāng)于每燒100 t釷燃料，在卸出的乏燃料中將來可以提取與150 t天然鈾相當(dāng)?shù)囊琢炎儾牧嫌糜谠侔l(fā)電，同時剩余的97.6%釷燃料還可以回收再復(fù)用，其后處理再循環(huán)利用價值較高。

（3）推動釷資源核能利用一系列共性關(guān)鍵技術(shù)的研究和發(fā)展

我國稀土采冶過程中的萃取回收釷的生產(chǎn)工藝已成熟，包鋼已提煉出了近2 t高純度的草酸釷原料，但總體上我國的釷資源核能利用方面的研究不夠全面和深入。通過低濃縮鈾/釷燃料EC6重水堆的技術(shù)開發(fā)和建設(shè)，能夠以工程項目帶動技術(shù)研究和進(jìn)步，通過引進(jìn)消化吸收國外已有的關(guān)鍵技術(shù)，在國內(nèi)建立從釷冶金、釷燃料組件制造、輻照考驗和輻照后檢驗、釷堆工程設(shè)計到堆內(nèi)規(guī)?；瘧?yīng)用的一套有一定規(guī)模的、較為完整的釷資源核能利用工業(yè)體系，率先實現(xiàn)釷資源的工程示范性核能利用，推動國內(nèi)釷資源核能利用的基礎(chǔ)研究工作，帶動輻照元件的后處理試驗，為不同堆型應(yīng)用釷資源打下技術(shù)基礎(chǔ)，為今后我國大規(guī)模核能利用釷資源和解決釷環(huán)境污染問題開辟道路。

目前，秦山三核正在聯(lián)合其他三方，扎實穩(wěn)健地推進(jìn)重水堆利用釷資源的技術(shù)研發(fā)和工程項目規(guī)劃工作，初步目標(biāo)：2014年完成低濃鈾/釷燃料EC6重水堆的初步設(shè)計和相關(guān)試驗具備開工建設(shè)的條件。

3 結(jié)論

與作為技術(shù)主流的壓水堆相比，重水堆因其獨特的堆芯設(shè)計和運行特點，具有燃料靈活多樣、鈾資源利用率高、可利用釷資源和回收鈾、可大量生產(chǎn)60Co等多種同位素的技術(shù)優(yōu)勢。秦山三核正在根據(jù)重水堆的比較優(yōu)勢開發(fā)重水堆相關(guān)技術(shù)，目前已經(jīng)實現(xiàn)60Co生產(chǎn)棒束入堆，重水堆回收鈾應(yīng)用和重水堆利用釷資源技術(shù)也在抓緊開發(fā)中，可預(yù)見實現(xiàn)其工程應(yīng)用將為期不遠(yuǎn)。將來重水堆運行不僅不再大量消耗天然鈾資源，而且對多渠道解決核燃料供應(yīng)、后續(xù)釷資源核能利用的技術(shù)發(fā)展和在其他堆型的推廣應(yīng)用、促進(jìn)核電產(chǎn)業(yè)的科學(xué)發(fā)展意義重大。建議國家在建設(shè)和發(fā)展壓水堆主流核電機(jī)組的同時，適當(dāng)考慮建設(shè)一些重水堆機(jī)組與壓水堆互補(bǔ)發(fā)展。

[1] 李干杰. 把握節(jié)奏，既積極又穩(wěn)妥地有序推進(jìn)我國核電建設(shè). 中國核能可持續(xù)發(fā)展論壇文集[C]. 中國核能行業(yè)協(xié)會. 北京，2008.5.

[2] 國家發(fā)展和改革委員會. 國家核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005-2020年）[R]，2007.10.