快堆燃料循环与金属燃料.doc

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1、能源材料专题·综述·快堆燃料循环与金属燃料郭奇勋*，李宁*（厦门大学能源学院，核能研究所，福建厦门361102）*通信作者：qxguo@xmu.edu.cn，ningli@xmu.edu.cn基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（2012121034）摘要：快堆作为第四代先进核能系统中最重要的反应堆型，有望显著提高铀资源利用率和减少核废物量，快堆及与其密切相关的核燃料循环和金属燃料技术越来越受到人们的广泛关注。本文综述了快堆（行波堆）、核燃料循环及金属燃料技术的研究进展，重点介绍了美国的行波堆和金属燃料技术，并阐述了行波堆初期采用“一次通过式”简化燃料循环对于快堆早日实现大规模商业化的重

2、要意义。关键词：核能；核燃料循环；快堆；行波堆；金属燃料中图分类号：TL2文献标识码：A文章编号：在当前的商业轻水堆中，天然铀资源的利用率不到1%，储存在大量贫铀和乏燃料中的巨大能量可以成为一种宝贵的资源，但遗憾的是这种资源仍未开发利用甚至经常被当作废物对待。从核能开发早期形成的核燃料循环仍是一个非常复杂、昂贵、耗时的过程，其发展战略和路径已经过时。虽然出现了一些具体改进方案，但还是难以大规模实现推广。行波堆通过优化堆芯中子经济性并提高燃料燃耗，具备变成开式燃料循环快堆的潜力，可以大幅简化传统燃料循环。该技术使核能发电在后处理经济可行前即可提高资源利用率，这是一个极好的从创新概念变成颠覆性技

3、术的范例。金属燃料是发展行波堆和先进快堆的核心技术，快堆燃料将从现有的氧化物，逐步改为混合氧化物，最终过渡到增殖和安全性能最高的金属燃料。目前的金属燃料离行波堆实现足够潜能的要求还有一定差距。在本文中，我们综述了国内外专家对快堆（行波堆）核燃料循环与金属燃料的相关研究和评论，重点介绍了核能与核燃料循环中的一些创新概念，并加入了作者的解读和展望，旨在与读者分享和切磋。1快堆与行波堆1.1快堆15快中子反应堆（简称快堆）是以（高能）快中子引起核裂变链式反应的反应堆。快堆是第四代先进核能系统中最重要的反应堆型。快堆运行时，一方面消耗易裂变燃料如U-235，另一方面又产生新的易裂变燃料如Pu-239

4、。当产生的易裂变燃料多于消耗的易裂变燃料时，易裂变燃料就得到了增殖，这类快堆称为快中子增殖反应堆，其转换比大于1[1-2]。快堆与轻水堆（热堆）的一个主要区别是：轻水堆消耗的核燃料主要是U-235，而快堆消耗的核燃料主要是从U-238转变而来的Pu-239。天然铀中，易裂变的U-235只占约0.7%，丰度非常低，而不易裂变的U-238占到99.2%以上。目前，轻水堆对铀资源的利用率只有约1%或更低，而快堆可以将利用率提高30-60倍[1,3]。发展快堆主要有两方面的重要意义：一是提高铀资源的利用率，保证铀资源的长期稳定供应，二是可以焚烧和嬗变轻水堆乏燃料中的长寿命高放射性废物，减少核废物量[

5、1]。全世界快堆已有350多堆年运行史，快堆燃耗达到130GWd/t，热电转化效率达43~45%。世界上许多国家已有快堆发展战略，快堆相关研发已经很深入[4]。1.2行波堆行波堆（如图1）不同于传统快堆。行波堆通过对异质堆芯燃料的巧妙分布和运行控制，核燃料从一端低浓缩铀启动源点燃，多余的裂变中子将旁边不易裂变的U-238转换成易裂变的Pu-239，当达到一定浓度时形成自持裂变反应，同时开始焚烧已在原位生成的燃料，形成行波。行波以增殖波前行、焚烧波后续的方式在燃料中以每年数公分的速度自持传播，一次装料可以连续运行数十年。形象地说，行波堆象蜡烛，用火柴点燃后渐渐烧尽，并可以自身点燃其它蜡烛。行波

6、堆技术可将铀资源利用率提高一个数量级、废物量减少一个数量级，并使核燃料循环大大简化。行波堆是可以首先在开路燃料循环中用低浓铀启动的快堆[4]。图1行波堆Fig.1TravelingWaveReactor15行波堆应用无需大规模燃料后处理和长期储备钚，只需初期使用低浓缩铀点燃即可无限期使用天然铀、贫铀或轻水堆乏料，变废为宝，实现“核燃料一次性实时原位增殖焚烧”，简化复杂昂贵的核燃料循环，并且降低核扩散风险。行波堆可以大规模在全球推广应用，充分实现核能成为化石燃料后时代清洁无碳排主流一次能源的巨大潜力。行波堆的开发成功将对世界的核能发展，甚至全球能源政策和气候变化应对策略，都将产生划时代的推动和

7、促进，意义深远。2核燃料循环2.1核燃料循环概念核燃料循环是人类应用核裂变能的基础。核燃料循环指从铀矿开采（对于铀/钚燃料循环）到核废物最终处置的一系列工业生产过程。回收的核燃料可以在热堆中循环，也可以在快堆中循环，统称“闭式”核燃料循环。如果乏燃料不进行后处理而直接处置，则称为“一次通过式”核燃料循环。基于“一次通过式”和“闭式”核燃料循环的概念，目前主要有三种核燃料循环方案：（1）轻水堆“一次通过式”核燃