为什么核能发展要走胸腔闭式引流循环之路

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核能的发展前景
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核电信息周刊(-5
核电信息周刊;NuclearPowerInformationW;一次通过的循环方式,地球上的铀储量仅可供使用70;然而,通过核燃料的闭式循环,却能提高铀资源的利用;“铀资源使用3000年”是全世界核能界为之奋斗的;目前,快堆核燃料闭式循环在世界上尚未实现商业化,;我国人口众多,能源需求和消耗的快速增长对资源和环;一言以蔽之,核能是清洁能源,但要充分利用铀资源
核电信息周刊NuclearPowerInformationWeekly一次通过的循环方式,地球上的铀储量仅可供使用70年左右,其铀资源的利用率不到1%。核燃料一次通过循环方式的另一个问题是,将约占4%的乏燃料中的废物与占96%的有用资源(铀、钚等)一起进行地质处置,除了浪费资源,还将大大增加需要地质处置的废物体积。即使按照全世界目前的核电站乏燃料卸出量估算,“一次通过”循环方式需要全世界每6~7年就建造一座规模相当于美国尤卡山库(设计库容7万吨)的地质处置库。只要全世界核电装机容量增加1倍,每3~4年左右就要建设一座地质处置库,这显然是全球都难以承受的。此外,由于乏燃料中包含了所有的放射性核素,其长期放射性毒性很高,要在处置过程中衰变到天然铀矿的放射性水平,将需要10万年以上,必将带来诸多不可预见的不确定因素。因此,从长远看,“一次通过”方式对环境安全存在极大威胁。然而,通过核燃料的闭式循环,却能提高铀资源的利用率并减少高放废物体积。快堆和后处理是该循环中的关键环节。快堆可利用其中子能谱比较硬的特点,将铀238转换成钚239,同时将长寿命次量锕系元素进行嬗变。后处理则可将乏燃料中的铀、钚、次量锕系元素和裂变产物分开,从而加以区别利用和处置。目前,国际上主要核能大国均选择核燃料闭式循环的技术路线。热堆核电站乏燃料经后处理提取的铀和钚,如果返回热堆中循环使用,则铀资源的利用率仅能比原有利用率稍稍提高,核废物的体积和毒性分别降至D一次通过‖的1/4;但如果在快堆中多次循环使用,铀资源利用率总体可提高至60%,核废物的体积和毒性可降低1~2个数量级。这意味着,采用快堆技术及其相应的先进核燃料闭式循环,可以使地球上低开采成本的铀资源利用时间延长至几千年,并有利于实现废物最少化和减少废物的安全地质处置量。由此可见,要想实现核裂变能可持续发展,建立快堆及其燃料闭式循环是必走之路。因此,我国核裂变能走压水堆―快堆的发展战略和选择核燃料闭式循环的技术路线是完全正确的。“铀资源使用3000年”是全世界核能界为之奋斗的长远目标,实现这一目标可能需要多年的不懈努力。据初步计算,欲使铀资源利用率提高60倍,快堆闭式循环的次数为12~18次。目前,快堆核燃料闭式循环在世界上尚未实现商业化,但各主要核能国家均宣布了快堆核能系统商用化的时间表,分别为:印度,2020年;俄罗斯,年;法国,2040年;日本,2050年。我国人口众多,能源需求和消耗的快速增长对资源和环境形成了巨大压力。因此,根据国情加快推进我国快堆商用化步骤被提上重要日程。根据中核集团的研究,我国将在2030年前实现快堆商用化,以满足我国核能可持续、大规模发展需要。一言以蔽之,核能是清洁能源,但要充分利用铀资源、极大地减少废物量、实现核能的可持续发展,必须建立核燃料闭式循环体系,特别是快堆核燃料循环体系。加大快堆及核燃料闭式循环研发力度随着国民经济的发展,能源愈来愈成为国际社会共同关注和应对的命题。寻找清洁、安全、可持续的能源成为人类的共同追求。核能由于在使用过程中几乎不排放二氧化碳,被赋予厚望。世界各个有核国家都制定了核能发展规划。由于快堆能够极大地提高铀资源利用率,因此建设快堆核燃料循环体系对于确保核能可持续发展,从而保证能源安全,意义重大。国际上推荐的第四代先进核能系统中基本都把快堆作为主力堆型来发展,美、俄、法、印、日等国均制定了明确的快堆核燃料循环体系发展计划。因此,推进我国快堆核燃料循环体系的建设已刻不容缓。目前国际上快堆燃料循环系统的研究开发虽未达到商用水平,但很多国家的研发水平均已超过我国。各主要有核国家均掌握了热堆乏燃料水法后处理技术,法国等国还掌握了先进的MOX燃料制造技术,美16 2011年02月核电信息周刊NuclearPowerInformationWeekly国掌握了快堆金属燃料制造技术,美国和俄罗斯在快堆乏燃料干法后处理方面处于领先地位。尤其值得一提的是,印度快堆核能系统领先于我国:印度的实验快堆1985年实现临界,中国实验快堆2010年才实现临界;印度于2004年开始建造的50万千瓦电功率原型快堆将于2012年建成,我国拟自主设计的示范快堆项目尚未立项;印度已拥有3座小型热堆乏燃料后处理厂,我国的第一座大型热堆乏燃料后处理厂尚在拟议之中;印度于2005年在世界上率先完成了快堆乏燃料的水法后处理热实验,我国快堆乏燃料后处理技术研究刚刚起步;印度具备了快堆MOX燃料制造能力,并可为即将建成的原型快堆提供燃料,我国尚未掌握快堆MOX燃料制造技术;印度自主建成了3座高放废液玻璃固化厂,我国尚不具备玻璃固化厂的建设能力,只能依赖进口。这一现实表明:我国在核能领域的关键技术仍落后于世界先进水平。要想使我国从“核能大国”转变成“核能强国”,脚踏实地、奋起直追是唯一的选择。在快堆核能系统的研究开发方面,我国应首先制定快堆核能系统研究发展战略,确定总体目标和分阶段实施目标。快堆循环技术的研究开发是一项投资巨大、耗时较长的复杂系统工程,应摆脱过去与核燃料循环脱钩孤立发展的模式,应借鉴他国经验,做好快堆核能系统的顶层设计,将快堆、乏燃料后处理、MOX燃料制备等技术进行一体化、系统策划,在国家统一规划、总体布局之下,使我国快堆核能系统的各个环节得以同步协调发展。争取用最短的时间实现各个环节的商用化技术突破,逐步形成我国快堆核能产业,从而解决我国核裂变能可持续发展的后顾之忧。未来5~10年,我国核燃料循环后段工业体系的关键任务是:以中国实验快堆、后处理中试厂和MOX燃料实验生产线为实验平台,尽快将后处理中试厂产出的钚制成MOX燃料,为实验快堆提供燃料,初步打通闭式燃料循环之路。与此同时,要抓紧商用示范快堆重大专项、后处理大厂、MOX燃料制造厂的立项与实施进程,迈出我国快堆核能系统产业发展的坚实一步。■(作者为中国原子能科学研究院原科技委副主任,中国核学会顾问,主要从事核燃料循环和分离工程研究) 业内声音中国工程院:中国加速发展核电必要且迫切中国工程院2月28日在北京发布其完成的《中国能源中长期()发展战略研究》说,中国加速发展核电是必要的、迫切的,积极发展核电是中国能源的长期重大战略选择。经过两年论证研究,《中国能源中长期()发展战略研究》核能专题组形成广泛共识,提出多个研究结论:加速发展核电必要且迫切。核电是成熟的、可以批量化建设的能源,是满足中国能源发展需要的现实途径。加快核电发展,也是解决中国能源环境污染,实现温室气体减排目标的重要途径。中国要增强参与核能国际市场竞争力;建成足够安全、经济性好、技术先进的协调发展的核能工业体系;建成核燃料供应可持续发展和环境可持续发展的核燃料循环工业体系。2020年核电总装机规模可能实现达到7000万千瓦目标。中国已掌握二代改进机型的核心技术,在设计、设备制造、建造安装、核安全监管、项目管理、核燃料供应、电站营运等各个方面都己基本具备产业化发展条件。2020年、2030年和2050年,核电总装机规模将分别达到7000万、2亿、4亿千瓦,核电装2011年02月核电信息周刊NuclearPowerInformationWeekly机占电力总装机比重分别为4.6%、10%、16%,核发电量占总电量比重将分别达7%左右、15%、24%。铀资源不是中国核电发展不可克服的制约因素。中国是铀资源较丰富的国家之一,己经探明了相当量的铀资源,并有较大发展潜力。目前国内勘查投入十分不足,只要加大投入力度,加强国内勘查,可提高中国铀资源保障能力,还可统筹安排,在国际市场上获得铀资源。同时,加强核燃料后处理和快中子堆的研究,实现铀钚再循环复用和快中子堆核燃料增殖。中国核电装备能力国产化的格局已经形成,二代改进机型设备供应的基本条件已经具备,实现三代机组装备制造的国产化能力也指日可待。核能发展技术路线走“热堆、快堆、聚变堆”三步走发展道路。2020年前,在尚未掌握第三代技术之前继续建设二代改进机型压水堆,在三代核电具备产业化发展条件后,尽快实现由二代改进为主向三代过渡;2035年初步具备能增殖核燃料的快堆核能系统产业化发展的条件,发展高温气冷堆及其高温应用技术,向高温制氢等非电应用扩展;开展核聚变基础研究和应用方向的探索研究。核燃料循环技术路线和政策。2025年开始由开式循环向闭式循环过渡,2035年开始向快堆增殖燃循环转变,逐步实现增殖核燃料、核燃料供应可持续、高放废物分离-嬗变、环境生态可持续发展。核电建设布局政策。大力堆进内陆核电建设,要遵循D不争论、往前走‖和D不折腾‖原则,二代加核电站可在沿海和内陆继续建,同时加快三代技术引进、消化和再创新,经过实际运行、考验和经济评估后,尽快开始批量建设第三代核电站。■
(中国新闻网
) *《核电信息周刊》版权归属苏州热工研究院所有*责任编辑出版地址邮编Tel/FaxE-mail 18 2011年02月 陈洪川
张琦 苏州热工研究院有限公司信息研究所 江苏省苏州市西环路1788号 2C0包含各类专业文献、行业资料、外语学习资料、中学教育、高等教育、文学作品欣赏、生活休闲娱乐、核电信息周刊(等内容。 
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为适应经济发展和满足能源不断增长的需要,实现经济、社会、生态环境的协调和发展,必须加快核能的发展。中国把核电作为国家能源战略的重要组成部分,逐步提高核能在能源供应总量中的比例。在经济发达、电力负荷集中的沿海地区,核电将成为电力结构的重要支柱。
中国核电建设在以我为主,中外合作,引进技术,在推进自主化的方针指导下,统一技术路线,采用先进技术,不断提高核电机组的安全水平和经济性,实现大型核电机组建设的自主化和本地化,提高核电产业的整体能力。
中国核能利用坚持可持续发展,核电发展采用热堆-快堆-聚变堆“三步走”的方针。近期以压水堆核电站为主,在充分利用已有技术,建设一批压水堆核电站的同时,积极开展国际合作,适时建造先进压水堆核电站,并以此作为我国未来核电发展的主力机型。
中国积极推进和平利用核能的开发研究,力争在一些重大项目上有新的突破。例如,利用快堆发电、用核能进行海水淡化、用低温供热堆采暖、用高温气冷堆发电和制氢等,当条件成熟时,使其成为新的产业。
中国的核燃料立足国内,将同步建设与核电发展相适应的核燃料循环产业,技术上要达到或接近国际先进水平,经济上要有较强的竞争力。核电燃料组件依靠国内生产,天然铀资源利用国内外“两种资源、两个市场”。中国采用闭式核燃料循环的路线,通过对核电站乏燃料的处理,提取钚制成铀钚混合燃料供核电站使用,并为以后快中子堆核电站的发展创造条件。
放射性废物治理是核燃料循环的重要组成部分。放射性废物,特别是长寿命、高放射性的废物能否得到妥善处理与处置,不仅关系到公众人身安全和人类居住环境的安全,而且关系到国民经济的可持续发展。积极推进放射性废物处理和地质处置的研究开发,开展高放废液的分离、嬗变研究,以降低锕系核素和长寿命裂变产物安全处理与处置的难度,减少其对公众和人类居住环境的影响。
中国同位素和辐射技术的应用有着广阔的发展空间。今后20年,预计全行业总产值的年增长速度会保持在15%以上,到2010年,全国同位素和辐射技术应用的产业规模将超过1000亿元人民币。
中国和平利用核能事业有着良好的发展前景。我们愿意在平等互利的基础上,与各国开展广泛的合作,进一步推进核能和平利用,更好地为经济社会发展服务,为人民造福。
资料来源:
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关于加速器驱动次临界系统(ADS)研发促进我国核能可持续发展的建议
中文关键词
&&&&&&&& 加速器驱动次临界系统(ADS);核能;发展
&&&&&&&&1分离-嬗变是实现核能可持续发展不可缺少的环节目前,我国的核电事业即将进入快速发展期。根据发改委2005年发布的核电发展规划,2020年核电总装机容量将达到4000
&&&&&&&&  目前,我国的核电事业即将进入快速发展期。根据发改委2005年发布的核电发展规划,2020年核电总装机容量将达到4 000万千瓦,另有1 800万千瓦在建,核电在总发电量中所占比重将提高到4%左右。根据对国家中长期能源发展形势和前景的分析,中国工程院在《2050年我国的能源需求》咨询报告中指出,到2050年,我国核电占一次能源总量的比重要求提高至12.5%(占电力装机容量的20%)。
&&&&&&&&  然而,人们在享受核电带来的巨大好处的同时,也不得不面对核电产生的核废料尤其是长寿命核废料的处理、处置难题,这将成为我国核电事业能否持续发展不可缺少的一环,必须从战略高度加以定位。
&&&&&&&&  目前压水堆是核电的主要堆型,一座100万千瓦的压水堆电站,每年卸出乏燃料约25吨,其中含有可循环利用的铀约23.75吨, 钚约0.2吨,中短寿命的裂变产物约1吨;还有次锕系核素约0.02吨和长寿命裂变产物约0.03吨。随着我国压水堆核电站装机容量的增长,核废料的积累量将快速增加。如果2030年核电装机容量达8 000—10 000万千瓦,届时则乏燃料累积存量将达到2万—2.5万吨,其中所含钚为160—200吨,次锕系核素为16—20吨,长寿命裂变产物为24—30吨。
&&&&&&&&  对核电站卸出乏燃料的潜在生物危害性分析表明,乏燃料的远期风险决定于其中主要的镎、镅、锔等次锕系元素(简称MA)和长寿命裂变产物(简称LLFP)。乏燃料中的MA和LLFP要衰变十几万年,其放射毒性才能降到天然铀矿的水平。
&&&&&&&&  美国30多年来一直采用“一次通过”的核燃料循环方式,即将乏燃料作为高放废物直接进行地质处置。但是,将乏燃料中大量有用的资源与少量的废物一起直接处置,不仅会造成严重的资源浪费,还将大大增加废物处置的体积和放射毒性,具有长期的环境风险,不符合核能可持续发展战略。另外,高放射性核废料的地质处置库建设十分昂贵,是耗资巨大的工程。值得注意的是,美国作为多年来“一次通过”循环方式的积极鼓吹者,近年来其核燃料循环政策发生了根本性逆转。出于其自身的核能发展战略需要,美布什政府于2006年2月提出了“全球核能合作伙伴”(Global Nuclear Energy Partnership, GNEP)倡议。该倡议否定了当年卡特政府的核燃料“一次通过”的核能政策,主张恢复包括后处理和快堆在内的核燃料闭式循环方案。美国希望通过实施GNEP计划,将乏燃料中分离出的次锕系元素和钚在焚烧快堆中“烧掉”,使需要地质处置的高放废物体积降低50倍左右,从而使美国在21世纪只需要一座地质处置库即可满足需要。
&&&&&&&&  为了实现核废物最少化,国际上早在20世纪60年代就提出了分离和嬗变(Partitioning and Transmutation,简称P??T)的先进核燃料循环概念,即将长寿命次锕系元素和长寿命裂变产物从高放废液中分离出来,然后再进行嬗变,即利用中子引起的核反应,使其变为非放射性的或短寿命的核素。分离和嬗变可以在充分利用铀资源的同时,使需要地质处置的高放废物的体积和毒性降低1—2个数量级,这将大幅度减少高放废物运输和地质处置的费用。
&&&&&&&&  我国坚持核燃料闭式循环的技术路线,商用后处理大厂的建设亦在筹划之中。后处理分离解决了铀、钚的分离,但我国对分离-嬗变(包括MA和LLFP的分离及其嬗变)的研究开发仅仅开展了一些前期工作,需要在国家层面上及早制定完整的分离-嬗变战略。
&&&&&&&&  对次锕系元素(MA)来说,热堆的嬗变以热中子俘获反应为主,MA在嬗变过程中产生新的原子序数更高的MAs。快中子引起的裂变要比热中子引起的裂变多得多。因此要有效地嬗变MA,必须采用快中子堆(FR)及加速器驱动次临界反应堆系统(ADS)等快中子嬗变装置。
&&&&&&&&  ADS由中能强流质子加速器、外源中子产生靶和次临界反应堆构成。由加速器产生的质子束流轰击设在次临界堆中的重金属散裂靶件(如液态铅或铅铋合金),引起散裂反应,为次临界堆提供外源中子。一个能量为1GeV的质子轰击厚靶,约产生30个散裂快中子,诱发次临界堆中MAs的嬗变。同时,采用绝热吸收的办法, 在ADS的热区可以有效地嬗变LLFPs。
&&&&&&&&  与临界快堆相比,ADS系统有3个最重要的特点:
&&&&&&&&  (1)由于ADS系统有外源中子,其中子余额数目明显地多于临界堆,因此其次锕系元素的嬗变能力明显优于临界快堆。研究表明,ADS的嬗变支持比(即一个ADS可以嬗变多少个同样规模的PWR核电站产生的长寿命放射性核素)可达到12左右(嬗变专用快堆的支持比约为5)。
&&&&&&&&  (2)由于ADS系统的中子能谱更硬,中子平均能量达到500keV ,而快堆系统的中子平均能量为300keV,这使得ADS系统的嬗变能力远高于快堆,MAs在ADS系统中的裂变份额极高,几乎不产生新的更重的MAs。
&&&&&&&&  (3)由于ADS属于次临界装置,具有良好的安全性。快堆用于嬗变MAs时,燃料元件中所允许的MA的装载量不能超过燃料总重量的5 %,否则会影响快堆的安全性。ADS燃料中对MAs的装载量的限制较少。
&&&&&&&&  由上述几点可见,在各种嬗变系统中,ADS是强有力的核废料嬗变器(或焚烧炉),是我国核裂变能可持续发展值得探索的新技术途径,其研究成果将明显提高核能系统的资源效益和环境效益。
&&&&&&&&  国际核科技界认为,ADS是一种有前途的新一代核能开发技术。国际原子能机构把它列入新型核能系统中,并称之为“新出现的核废物嬗变及能量产生的核能系统”。ADS也是国际上目前研究的一个热点。各主要核电国家均有ADS发展的国家计划。
&&&&&&&&  美国很早就有ATW计划,后来演变成AAA计划,现在是AFCI计划的有机组成部分。前几年,欧盟有ADOPT计划,现在正在执行IP??ADOPT计划。我国周边国家也在大力发展分离和嬗变技术,日本有OMEGA计划,韩国有HYPER计划,印度也正在进行ADS的研发。目前国际态势已从概念研究进入物理过程、技术部件的研究及核能系统集成的概念研究,下一步是建设小尺度系统集成装置。
&&&&&&&&  快堆虽也可用来进行嬗变,但存在一些技术困难:在快堆中嬗变MAs时,燃料中加入MAs后会因动态参数的变化而使堆安全性下降。更重要的是, 快堆中LLFP的嬗变是以消耗本可用于增殖的中子为代价的,兼顾嬗变将会牺牲快堆的增殖能力,增加快堆的倍增时间。因此,从我国能源需求的压力和大规模发展核电带来资源的压力来看,快堆应主要用于核燃料的增殖。
&&&&&&&&  从我国核能可持续发展战略中的地位来看,可以考虑发挥快堆增殖核燃料的优势和ADS嬗变核废物的优势。从长远看,ADS可以与热堆核电站和快堆核电站互相补充、互相支持,一起构成大规模、可持续发展的核能发展模式。
&&&&&&&&  ADS系统的研发过程对相关领域的技术发展有很强的带动作用,也提供了可以生产核材料的可能性,并为钍资源的利用开辟一个有前景的途径。
&&&&&&&&  在国家“973计划”的支持下,我国ADS研究在起步晚、投入少的情况下,取得了一定的进展,并在国际上已有一席之地,也为今后进行ADS的研发、物理验证和工业示范打下了坚实的物理技术基础。然而,目前国内的ADS研究仍处在基础研究和关键部件预研阶段,与国际上的差距还在加大。
&&&&&&&&  从现在起,发展ADS技术到建成全尺度的示范装置,需要经历小尺度技术集成(即原理验证)、原型ADS建设、全尺度ADS工业示范3个阶段,约需28年时间。
&&&&&&&&  在第一阶段的8年中,应该解决ADS系统单元关键技术问题。主要包括:研发高效率、高可靠性、束损极小的强流加速器;研发高功率铅铋合金(LBE)液态靶和冷却剂的关键技术。为了突破上述关键技术,近期建立一台低能强流加速器及一个适当规模的LBE试验回路,建立一个热功率几个MW次临界实验装置以检验设计和进行技术的集成是非常必要的。
&&&&&&&&  第一阶段需经费2.57亿元人民币,其中ADS系统单元技术预研3 700万元已得到国家“973计划”项目的支持, 小尺度的技术集成装置的建设和低能强流加速器技术开发费用共2.2亿元人民币尚有待落实。
&&&&&&&&  在第二阶段的10年里,应进行中等尺度的技术集成,建成并运行由MW级加速器束功率驱动的30MW热功率的ADS实验堆并开始进行嬗变实验。
&&&&&&&&  在第三阶段的10年里,进行全尺度的技术集成,建成并运行全能量、降低流强的10MW束功率的加速器驱动的800MW热功率的示范堆,进行运行可靠性和系统经济性的验证。
&&&&&&&&  (1)ADS系统是最理想的长寿命锕系核素和裂变产物的焚烧炉之一。ADS的研发涉及加速器、次临界反应堆、热工水力、材料学、核物理等多个学科,需要组织核工业、中科院和教育部系统的多个研究院所共同}

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