引言:当前我国核电机组总量已经占到全球的三分之一,2022年我国全年核准开工机组首次突破10台,这表明我国核电已基本恢复并即将进入高速发展阶段。在经济全球化的当代社会,我国核燃料循环技术的发展进一步加强了全球国际化和核能商业化的进程。我国在探索核燃料循环发展技术的过程中,坚持自主创新和自主供应,坚持核能可持续发展战略,坚持采用闭式核燃料循环技术,不断完善核燃料循环体系建设。
一、核燃料循环技术概述
核燃料循环是指从铀矿勘探开采到放射性废物最终处置的一系列工业生产过程[1],包含前、后两段:铀矿勘查开采、矿石加工冶炼、铀转化、铀浓缩和燃料元件加工生产为核燃料循环前段;核燃料从反应堆卸出后的乏燃料中间储存、乏燃料后处理、回收燃料再循环、放射性废物处理与最终处置等统称为核燃料循环后段。
国际上核燃料循环技术分为一次通过式核燃料循环和闭式核燃料循环两种路线:一次通过式核燃料循环是指将乏燃料作为放射性废物直接最终处置,铀资源利用不足1%,造成大量铀资源的闲置和浪费;闭式核燃料循环是指回收乏燃料中的铀、钚等易裂变材料再利用,其他剩余的放射性核素作为废物进行最终处置,闭式核燃料循环技术能够有效提高铀资源利用率。
我国始终坚持采用闭式核燃料循环发展战略,已基本构建完整的核燃料循环产业体系。
二、我国核燃料循环产业发展现状
(一)铀矿勘查开采
我国的核地质事业始创于1955年,迄今接近70年的历史,建立了完整的“天-空-地-深”四位一体综合勘查能力和技术体系。在2019年,我国境内的铀矿勘查以北方盆地砂岩型铀矿为主,新发现工业铀矿孔280余个,铀资源储量有所增加。截至2022年10月1日,中国铀业有限公司已获得数万吨铀资源,其中可采优质资源占50%,落实可供地浸开发的特大型铀矿床1处、大型铀矿床2处,发现特大型铀成矿带1条,新区、新层位连续取得新发现,找矿取得了重大突破,进一步验证了国内铀资源预测前景,极大地增强了国内铀矿找矿信心。
(二)铀转化产业
2017年,我国建成了规模更大、技术更先进的新一代铀纯化转化生产线,成功实现了新技术的产业化应用,显著提高了生产能力,降低了建设和运行成本,实现了生产安全及环境友好。目前我国现已具备万吨级铀纯化转化生产供应能力,为国内外核电用户提供安全稳定可靠的铀纯化转化服务。
(三)铀浓缩产业
铀浓缩技术是衡量一个国家核技术水平的重要标志,我国早期使用气体扩散法分离技术,后续逐步发展气体离心法分离技术。2013年我国具备了核燃料生产的自主化工业能力,完全掌握了离心法铀浓缩技术;2018年我国新一代铀浓缩离心机大型商用示范工程全面建成,具有完全自主知识产权,技术水平、经济性进一步提升,具备大规模商用条件,达到国际先进水平。铀浓缩产业坚持自主创新、自主供应,是中国核能安全稳定发展的重要保障,提高了我国在国际铀浓缩领域的地位和竞争力,也是我国核燃料产业铀浓缩领域由核大国走向核强国的重要一步,对提升我国核电国际竞争力至关重要。
(四)燃料元件加工制造
我国上世纪50~60年代系统地开展了核燃料元件加工制造技术的研究,建立了较为完整的核燃料元件研发体系和生产能力,奠定了我国燃料元件加工制造的技术基础[2]。上世纪70~80年代,主要开展动力堆燃料元件的研制和生产,我国基本掌握了核电燃料元件的制造技术。后续我国先后引进了三种国外先进的核燃料制造技术并逐步实现了国产化,我国燃料元件的制造技术水平和能力已接近或达到国际水平。
2010年开始,我国开始研制具有完全自主知识产权的三代核电“华龙一号”的核燃料CF系列燃料元件。2018年“华龙一号”CF3燃料组件的研制成功与我国首次实现自主先进核级锆合金材料N36工业化规模生产,标志着我国核燃料元件产业已从跟跑阶段跨入并跑和领跑阶段,有力支撑了我国核电“走出去”战略的实施,对保障我国核电安全发展具有重要意义。2021年全球首条工业规模、我国完全自主知识产权的高温气冷堆核燃料元件生产线生产首批合格产品,这是我国重大科技专项最重大的创新成果之一,是推进我国第四代核电技术应用迈出的重要一步,标志着我国先进核燃料元件研制技术走在了世界的前列。
(五)后处理技术
为实现核能可持续发展目标,我国始终坚持采用闭式核燃料循环发展战略,核燃料后处理是实现核燃料闭式循环的关键环节。核燃料后处理技术体系非常复杂,操作过程中放射性水平极高、技术难度极大。我国曾在上世纪六十年代中期开发成功军用后处理技术,一度接近当时的国际先进水平,但在八十年代以后,对后处理技术研究的科研投入严重不足,使后处理技术成为我国核燃料循环体系中最薄弱的环节[3]。
(六)放射性废物处理与最终处置
2022年11月24日,龙和国家集中处置场开始接收首批核电废物。这标志着中国首个国家级核电废物集中处置场正式投入运行。该项目采用国际上广泛使用的近地表处置方式,以及多重屏障系统包容、隔离方法和自动化远程控制等手段。
综上所示,我国核燃料循环体系前段已非常成熟,达到世界先进水平,但后段能力稍显不足,乏燃料后处理技术、回收燃料再循环技术尚未形成工业化应用。
三、我国核燃料循环技术的发展战略
随着核电产业复苏、核电技术的不断发展,我国核燃料循环产业将迎来新的挑战和机遇。
(一)我国铀资源发展战略
我国的铀矿资源不甚丰富,铀矿探明储量居世界第十位之后,从长远来看,无法匹配我国核电高速发展需求。铀矿作为重要的战略资源和能源矿产,事关国家安全和能源安全。因此,我国铀资源的发展战略,既要立足国内,加强对铀资源的勘探开采和开发利用,又要积极拓展海外的贸易市场,充分利用国际铀资源,以充分保障我国铀资源需求。
(二)我国铀浓缩产业发展战略
我国铀浓缩产业发展坚持立足国内、自主供应,保障我国核电发展所需的分离功供应需求并适度超前,保障我国浓缩铀供应安全。同时,应积极增加产业核心竞争力,坚持自主创新,保障科研投入力度及人才培养,持续扩大产能,降低成本,积极推动产业经济性提升。
先进铀浓缩技术是抢占国际市场的核心竞争力,在立足国内的前提下,积极面向国际市场,响应国家“一带一路”倡议,提升国际竞争力,努力开拓沿线国家铀浓缩服务市场。
(三)我国核燃料加工产业发展战略
核燃料元件的发展与核电技术的发展是相辅相成的,随着核电技术的不断发展,燃料元件加工制造技术也在不断地升级创新,核燃料元件关键材料和结构形式不断推陈出新。我国的燃料元件加工制造本着“应用一代,开发一代,预研一代”的原则,不断加强自主研发、自主创新,积极推进新材料、新工艺和新装备的研发,不断提升核燃料元件加工制造的技术水平和研发能力,积极配套我国先进核电技术的发展。
(四)我国乏燃料后处理发展战略
对于我国的乏燃料后处理,要对先进的后处理技术进行理论上的探索研究,干法流程和水法流程不是独立开的技术,两者相辅相成;同时,积极制定核燃料循环产业规划,完善后处理机制,加大后处理研究力度,加快后处理人才培养。充分吸取世界乏燃料后处理的经验教训,使乏燃料能够充分发挥其在核能发展中的作用。
结语:我国始终坚持采用闭式核燃料循环发展战略,在核能可持续发展的战略目标下,应加大科研投入力度,积极做好顶层设计,突出优势,补足短板,进一步完善我国核燃料闭式循环体系,为我国核电安全稳定发展、核能可持续发展奠定坚实的基础。
参考文献
[1]顾忠茂.我国先进核燃料循环技术发展战略的一些思考[J].核化学与放射化学,2006,28(1):1-9.
[2]杨勇,周培德.加强自主创新 提升核燃料元件制造水平[J].中国核工业,2007,10:26-27.
[3]顾忠茂.核能与先进核燃料循环技术发展动向[J].现代电力,2006,23(5):89-94.