秦山三期重水堆核电站

    没有前车没有辙，中国的重水堆科研人员正在进行的一项尝试，很可能改变核能资源的利用现状，甚至影响整个核能产业的发展。而从2008年至今，这项尝试如同一把钥匙，打开了全球经济高效利用回收铀的一扇大门。

    今年7月14日，秦山核电与中国原子能科学研究院联合开发的回收铀生产线放射性废液处理实验通过国内专家审查，回收铀燃料组件生产进入了倒计时阶段。这也意味着，秦山核电三期重水堆回收铀研发项目，又向既定目标迈进了一步。而在秦山核电集团（筹）副总经理张振华和他的回收铀研发团队看来，这条无人走过的路，会越拓越宽。

    什么是回收铀？利用回收铀的价值和意义何在？“非主流”的重水堆在核能产业中如何定位？未来将扮演何种角色？带着这些问题，记者近日走进秦山核电，探寻答案。

    填补闭式循环缺口

    中国核电产业发展至今，有两个关键问题亟需解决：铀资源有限和乏燃料处置。前端和后端的双重困境，制约着整个产业可持续发展。因此，必须最大限度提升铀资源的利用率，同时最大限度降低乏燃料存贮压力。

    相关资料显示，按照我国目前的核电发展规模和速度测算，到2020年将累积产生乏燃料7500-10000吨，2030年将达到20000-25000吨。

    尽早处理现有的乏燃料，并有效利用后处理的回收物，迫在眉睫。业内人士表示，目前核电规模化发展，但后处理却明显滞后。回收铀研究必须要前瞻性地提前进行，不能等到后处理产能释放后再做。

    据张振华介绍，我国已经确定“三步走”和闭式燃料循环技术路线，强调乏燃料后处理、回收核燃料再利用和放射性高放废物处置。“在后处理产品中，回收钚站1%，回收铀占比94%，还有5%的高放废物。”

    而根据目前的技术路线，回收钚作为战略资源通过MOX燃料实现在快堆的循环利用，高放废物将进行地质处置，唯独回收铀没有排在利用之列。

    作为后处理厂在压水堆乏燃料中化学分离并提取出的一种重要产物，回收铀中铀-235的含量要高于天然铀。数据显示，100吨回收铀可抵140吨左右的天然铀。

    “光用钚，而闲置铀，后处理的经济性无法体现，铀资源也没有高效利用。”张振华说，“回收铀不是废物，而是重要的核能资源。目前世界上已有压水堆乏燃料回收铀近10万吨存贮待用。”

    既然如此，为何回收铀被“弃而不用”？

    “压水堆用它没有经济性。” 秦山核电集团(筹)科研处处长乔刚表示，“目前世界上在运主流堆型为压水堆，要利用回收铀，需要经过再浓缩，且浓缩后的回收铀放射性水平比天然铀高几十倍，导致其在制造、运输和使用方面的成本加大，远高于直接采用天然铀的成本。”

    但是，压水堆的“得不偿失”，却正是重水堆的优势。重水堆回收铀项目研发正是超前考虑到这个问题，将核燃料闭式循环的缺口——回收铀做了利用，实现了闭式循环的真正闭合。

    “回收铀用在重水堆上，不需要再浓缩，放射性也只比天然铀高2到3倍，完全可控，燃料的经济性总体低于现有的天然铀燃料成本。”乔刚说。

    张振华指出，我国是世界上少数几个既有压水堆又有重水堆和后处理的国家，实现回收铀在重水堆上的循环再利用，对提高铀资源利用率、减轻核燃料供应压力、构建核燃料闭式循环体系具有重要意义。

    工程应用科学推进

    以最少的天然铀资源，发最多的电，同时产生最少的放射性废物，核燃料闭式循环路线的目的再清晰不过。而这也正是重水堆“吃”压水堆回收铀所能发挥作用的关键所在。

    国际上在上世纪90年代便开展了压水堆乏燃料在重水堆上利用的研究，但技术实现难度较大，迟迟无法突破。

    然而，秦山核电回收铀研发团队创新性地提出“等效天然铀”概念，开辟出一条回收铀工程应用的渐进式新路。

    等效天然铀燃料是一种与天然铀在中子物理学上等效的回收铀燃料，由回收铀和贫铀混合而成，可实现压水堆回收铀在重水堆上经济高效利用，将铀资源利用率总体提高20%左右。此种方法可简化很多问题，国内在制造和使用方面都不存在重大技术问题。

    “先以等效天然铀方式利用回收铀，取得一定的经验之后再逐步实现经济效益更高的回收铀直接利用。”张振华认为，这种渐进的方式，最符合实际和科学性。

    正是这样的“技术妥协”，为回收铀入堆接受考验，以及全堆应用争取到了机会。

    2009年，回收铀研发项目被国防科工局列入国家核能开发项目，并提供科研经费支持，年底国家核安全局批准秦山三核关于等效天然铀燃料入堆示范验证的申请。2010年，国防科工局将“等效天然铀技术研发和入堆示范验证项目” 列入了国家“十二五”核能开发项目，再次提供经费支持。

    2010年3月，国际上首次回收铀燃料棒束入堆示范试验结果显示：利用相同量的回收铀，重水堆可比压水堆多发电32%。之后，首批卸出的示范棒束和全部卸出的24根示范棒束水下检查表明：天然铀棒束和回收铀棒束辐照性能一致。

    这样的结果，让张振华和研发团队激动不已，也看到了更多的希望。而下一步，就是推进实施工程应用两步走战略：第一步开发等效天然铀技术，用于秦山三期运行的重水堆；第二步结合重水堆新建项目，开发回收铀直接利用技术。

    2013年，国家能源局将“压水堆回收铀在商用重水堆全堆应用项目” 列入国家能源自主创新项目，提供了经费支持。重水堆对回收铀的经济高效利用产业化将实现。

    据记者了解，一旦全堆应用实施以后，秦山两台重水堆发电每年将消耗140吨回收铀、60吨贫铀，每年为国家节省200吨天然铀资源，相当于省出一个中型铀矿的年产能。而且，全堆应用后，除去回收铀原料和生产线改造等各种成本，秦山三期两台重水堆还可以有一定的经济收益。

    对于重水堆新项目，张振华告诉记者，距离秦山核电6.9公里处的长山厂址最优，未来考虑先新建两台先进燃料重水堆（AFCR），完成回收铀直接利用技术研发应用。但他也表示了担忧，“如果新建项目进展缓慢，我们在国际重水堆回收铀领域的前沿性研究工作将受到影响，回收铀的价值也就无法凸显。”

    据科研人员测算，四台压水堆机组所产生的回收铀，正好够一台重水堆机组“消化”。这种四加一模式，也正好是热堆闭式循环的体现，对铀资源的高效利用得到了业内人士的普遍认同。

    而在未来，重水堆与后处理的配套性将逐渐体现。以200吨后处理厂为例，其可处理约8台压水堆乏燃料，回收铀可供3台先进燃料重水堆使用，回收钚可供2台快堆使用。

    钍资源利用发力

    重水堆在核燃料循环中的特殊地位已经凸显，而钍资源开发利用是其更为长远和重要的优势。

    据了解，我国钍资源储量丰富，内蒙古白云鄂博矿区主东矿中钍资源储量约占全国的77％，但利用率几乎为零。目前，核能利用是钍资源利用的主要方式，尤其是重水堆独有的燃料灵活性，更易实现钍燃料的工程应用。

    2008年，国家能源局提出“以重水堆核电站为突破口进行钍资源的核能利用”。2009年7月，秦山三核联合国内外三方完成重水堆利用钍燃料可行性研究。对此，之后的专家咨询会得出结论：钍燃料重水堆工程上可行，安全上有增强，经济性预期良好。“考虑到世界上还没有钍堆，以及国内相关基础技术还非常薄弱，应考虑分阶段渐进发展来实现重水堆对钍资源的核能利用。”

    而根据张振华和其研发团队的想法，直接利用回收铀技术将为钍燃料示范提供最佳实践平台。

    钍资源工程应用采用与回收铀应用相同的模式：在新建的先进燃料重水堆（AFCR）实现直接利用回收铀作为燃料时，先将钍燃料入堆做辐照考验，然后再过渡到钍燃料直接利用。

    在研发团队对重水堆在燃料循环体系中的定位中，资源利用和开发呈现出渐进式：近期，也就是到2020年，重水堆直接利用回收铀，提高铀资源利用效率，提高后处理经济性；作为试验平台，开展钍资源核能利用研究。中期，2020-2030年，重水堆进一步利用回收铀实现钍资源核能利用，开辟新的核燃料来源；开展钍铀循环研究，减轻快堆发展的压力。2030年之后，重水堆利用压水堆运行所积累的回收铀发电；钍铀循环作为铀钚循环的备用手段；为聚变堆发展提供核燃料-氚。”

    “鉴于重水堆在回收铀和钍资源利用方面的优势，充分考虑其在我国闭式核燃料循环体系中能起的作用，给予科学定位，将有利于维持我国的核电规模持续发展。”张振华最后强调。