我國核燃料循環(huán)前端產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和展望

李冠興

（中國核工業(yè)集團公司，北京 100822）

（上接2010年第1期第9頁）

4 燃料制造

4.1 燃料制造能力需求分析

4.1.1 世界燃料制造能力需求分析

從表3可以看出[7]，目前全世界有14個國家建有輕水堆燃料制造廠。全世界鈾燃料制造能力約為13 669 t/a。阿海琺（Areva）、GNF（Global Nuclear Fuel)和西屋電氣公司（Westinghouse Electric Company)是世界上最大的3個燃料制造跨國公司，其中，GNF主要從事沸水堆燃料的制造。阿海琺提供的數(shù)據(jù)中，輕水堆全球年需求量約為6 000 tHM，其中，壓水堆為4 000 tHM，沸水堆為2 000 tHM；全球總的制造能力，對壓水堆為5 000 tHM/a，對沸水堆為3 100 tHM/a。

由此可以得出結論：全球整體燃料制造能力過剩，造成供大于求，各國之間競爭十分激烈。

表3 世界各國核燃料鈾制造能力（UO2）/（t/a）Table3 Fuel manufacturing capacity around the world （UO2）/（t/a）

4.1.2 我國燃料制造需求趨勢預測

圖8給出了對我國核燃料制造需求趨勢預測。2020年我國核燃料鈾制造能力需求將達到1 273.2 t，接近目前西屋哥倫比亞廠1 350 t鈾的生產(chǎn)能力。2030年將達到2 231.2 t，超過目前阿海琺下屬ROMANS（820 t/a)、LINGEN（650 t/a)和RICHLAND（650 t/a)3個廠的總生產(chǎn)能力。到2040年我國對核燃料制造的需求將達到3 191.2 t，2050年將達到4 151.2 t。屆時，我國將成為世界上壓水堆燃料制造規(guī)模最大的國家。

4.2 我國投運核電站的燃料組件

在我國已經(jīng)投產(chǎn)運行的核電站中，通過技術引進和自主研發(fā)，共使用了以下幾種核燃料組件：秦山一期核電站，于1991年12月并網(wǎng)發(fā)電，采用我國自主研發(fā)的15×15燃料組件，由中核建中核燃料元件有限公司生產(chǎn)。該組件的設計鈾燃耗為25 GW·d/t，經(jīng)過改進現(xiàn)已達到33 GW·d/t。到目前為止，制造的CQS300燃料組件沒有一支燃料棒因為制造原因而發(fā)生破損，證明我國自主研發(fā)的這批燃料組件的設計和制造是成功的。

大亞灣核電站1號和2號機組，采用法國AFA-2G燃料組件，設計鈾燃耗為33 GW·d/t。首爐料由法方提供。1991年，中核建中核燃料元件有限公司引進了法國AFA-2G燃料組件的設計和制造技術，1994年底為大亞灣2號機組提供了第一個換料燃料組件，實現(xiàn)了AFA-2G燃料組件的國產(chǎn)化制造，1996—2002年累計完成13批772組AFA-2G燃料組件的制造任務，保證了大亞灣電站各次換料，燃料組件質(zhì)量優(yōu)良，在大亞灣反應堆內(nèi)運行7年多，保持了燃料零泄漏，燃料組件無異常、無破損、無變形。

根據(jù)大亞灣核電站實施的高燃耗換料方案，1998年12月，中核建中核燃料元件有限公司引進法國AFA-3G組件制造技術，鈾燃料組件燃耗為54 GW·d/t，換料周期從12個月延長到18個月。2002年2月，首批AFA-3G燃料組件裝入大亞灣核電站的2號機組堆芯，開始商業(yè)運行；2002年4月，大亞灣1號機組裝入AFA-3G高性能燃料組件，投入商業(yè)運行。2005年9月26日大修換料時，首批的52個AFA-3G組件已經(jīng)歷了3個循環(huán)，無一破損。

嶺澳核電站1號和2號機組，分別于2002年5月和2003年1月并網(wǎng)發(fā)電，首先采用AFA-2G組件。隨后堆芯采用逐步過渡的方案，于2003年采用AFA-3G組件。從2003年起，嶺澳核電站啟動先進燃料管理計劃，為了在AFA-3G的基礎上更進一步提高燃料經(jīng)濟性，提高組件的卸料燃耗，要求采用法國全M5-AFA-3G技術（1/4換料)。中核建中核燃料元件有限公司引進了法國全M5-AFA-3G組件制造技術。全M5-AFA-3G燃料組件于2007年2月裝入嶺澳核電站開始商業(yè)運行，截至2007年11月，共生產(chǎn)119組燃料組件。每年節(jié)約24組新燃料組件。

秦山二期核電站1號和2號機組，分別于2002年4月和2004年5月并網(wǎng)發(fā)電，采用AFA-2G燃料組件。堆芯采用逐步過渡的方案，到2004年采用AFA-3G組件。截至2007年11月，AFA-3G燃料組件累計生產(chǎn)1 308組，經(jīng)堆內(nèi)運行考驗，質(zhì)量優(yōu)良，達到了世界先進水平。大亞灣、嶺澳核電站到2007年末，已入堆1 028個AFA-3G組件，最高鈾燃耗為48 GW·d/t。

圖8 我國核燃料鈾制造需求趨勢預測[1]Fig.8 Forecasting of China’s demand trend of nuclear manufacturing

田灣核電站1號和2號機組，分別于2007年5月和2007年8月并網(wǎng)發(fā)電，采用俄羅斯WWER1000燃料組件。首爐和后續(xù)3個換料由俄方提供，從第4次換料開始的后續(xù)換料所需燃料組件，由中核建中核燃料元件有限公司提供。為此我國從俄方引進了適用AES-91型壓水堆核電機組所需要的WWER1000六邊形核燃料組件制造技術。2008年8月中旬，WWER1000燃料組件生產(chǎn)線設備已經(jīng)安裝調(diào)試完畢，生產(chǎn)線初步建成，2009年正式投產(chǎn)，2010年初開始為田灣核電站提供第4次換料所需要的核燃料組件。

秦山三期核電站1號和2號機組，分別于2002年12月和2003年7月并網(wǎng)發(fā)電。秦山三期核電站為加拿大CANDU6型重水堆核電站，采用CANDU6型燃料棒束，首爐料由加方提供。

為實現(xiàn)后續(xù)換料的國產(chǎn)化，1998年12月，中核北方核燃料元件有限公司引進加拿大ZPI公司CANDU6型燃料棒束制造技術。重水堆元件廠項目建設于2000年4月1日正式破土動工。2002年底開始，該廠進入正式生產(chǎn)階段。2003年3月27日，國產(chǎn)化燃料棒束入堆。截至2007年9月30日，CANDU6型燃料棒束共入堆38 743支，出堆30 659支，燃料堆內(nèi)運行平穩(wěn)，質(zhì)量達到國際先進水平。

綜上所述，我國已經(jīng)投產(chǎn)運行的壓水堆核電站目前使用的燃料組件是AFA燃料組件、WWER燃料組件和由我國自主研發(fā)的秦山一期燃料組件。其中大亞灣、嶺澳一期和秦山二期共6個機組，目前采用AFA-3G型17×17方形排列燃料組件；秦山二期擴建工程、嶺澳二期機組和后續(xù)開工建設的福清、方家山、紅沿河、寧德、陽江等核電站的核電機組也將采用AFA-3G型燃料組件；田灣核電站采用WWER燃料組件。

4.3 第三代壓水堆核電站的燃料組件

三門核電站與海陽核電站的AP1000四臺機組采用AP1000燃料組件，首爐料由美國西屋公司提供。從第1次換料開始的后續(xù)換料由中方提供。

AP1000燃料組件制造技術，由國家核電技術有限公司負責從美國西屋公司引進。目前，中核北方核燃料元件有限公司已就AP1000核燃料元件生產(chǎn)線建設與國家核電技術公司、中核建中核燃料元件有限公司共同組建了中核包頭核燃料元件股份有限公司，計劃用首爐換料的成功來檢驗技術轉讓的成功。

臺山核電站的EPR兩臺機組，采用了AFA-3GLE或HTP燃料組件。2007年11月26日，法國阿海琺公司和中廣核簽訂EPR項目協(xié)議，商定由法方提供為期15年的核燃料和燃料組件。據(jù)報道，中廣核在引進法國EPR核電站時也引進了相應的燃料制造技術。

4.4 我國核燃料元件的制造能力

經(jīng)過多年的建設，我國形成了南北兩個核燃料制造基地。其中，中核建中核燃料元件有限公司目前具有約250 t/a壓水堆核燃料元件制造能力，元件生產(chǎn)線擴建工程正在進行，目前已完成全部設備的安裝和調(diào)試。擴建完成后將達到約400 t/a的制造能力。2008年10月16日，國家核安全局已經(jīng)向該公司正式頒發(fā)了投料批準書。

中核北方核燃料元件有限公司目前具有約200 t/a CANDU6型鈾燃料棒束制造能力。新的壓水堆核燃料元件生產(chǎn)線土建已經(jīng)全面完工，已于2008年底完成設備安裝，2009年下半年進行了試生產(chǎn)并完成合格性鑒定，計劃于2010年正式投產(chǎn)。該條生產(chǎn)線先期建設將形成200 t/a的AFA-3G燃料組件制造能力，預留400 t/a規(guī)模的擴充接口。組建中的中核包頭核燃料元件股份有限公司，項目建設規(guī)模為400 t/a AP1000燃料組件的制造能力。到2013年將具備生產(chǎn)AP1000核燃料元件的能力。

4.5 核用鋯合金材料

4.5.1 我國核燃料組件使用的鋯合金材料

核用鋯合金材料是核電站制造核燃料組件的關鍵材料。秦山核電站一期核燃料組件，采用Zr-4合金（Zr-Sn)包殼管及材料。在20世紀80年代，我國自主研發(fā)生產(chǎn)的Zr-4合金包殼管，成功裝備了秦山核電站，自1991年12月15日并網(wǎng)發(fā)電以來，其包殼管材沒有出現(xiàn)破損現(xiàn)象，這標志著我國生產(chǎn)的Zr-4合金已經(jīng)達到世界先進水平。改進的Zr-4合金（低錫Zr-4)可滿足燃耗低于40～45 GW·d/t燃料組件的要求。

AFA-3G燃料組件采用法國的M5合金。M5（Zr-1.0%Nb-0.125%O2)是法國法杰瑪公司開發(fā)的Zr-Nb合金，用作設計燃耗為55～60 GW·d/t的AFA-3G燃料組件的包殼管。M5合金經(jīng)歐洲8個堆和美國1個堆的輻照考驗證明，該合金的堆內(nèi)腐蝕、輻照增長和蠕變都小于低錫Zr-4合金。中方已引進了法國M5合金包殼管制造技術，但是技術轉讓至今沒有完成。因此，目前我國每年所需的M5合金包殼管及材料均從國外進口。

WWER1000燃料組件，采用俄羅斯的E110（Zr-1%Nb)合金。E110合金包殼管軋制技術已在田灣項目中轉讓給中方（西北鋯管廠）。中核建中核燃料元件有限公司按計劃于2010年初，為田灣核電站提供第4次換料所需要的核燃料組件將采用國產(chǎn)的E110合金包殼管。

CANDU6型燃料棒束，采用Zr-4合金。中方引進了加方ZPI公司的包殼和各種板、棒、絲材的制造技術，技術轉讓基本完成。國產(chǎn)化制造未完成，目前所需鋯管從加方ZPI公司進口。

AP1000核燃料組件，采用美國的Zirlo合金。美國西屋公司在20世紀70年代開發(fā)的Zirlo合金（Zr-1.0%Nb-1.0%Sn-1.0%Fe)，是Zr-Sn和Zr-Nb合金的綜合，兼顧了兩者的優(yōu)點。用Zirlo合金制造的組件燃耗，1992年達55 GW·d/t。Zirlo合金1995年達到工業(yè)規(guī)模應用。

4.5.2 核級鋯生產(chǎn)鏈的建設

我國在引進AP1000核燃料元件制造技術的同時，也引進了西屋鋯材生產(chǎn)鏈的全部技術，包括海綿鋯生產(chǎn)、合金熔煉、條帶和管材制造等在內(nèi)的全部生產(chǎn)工藝。引進協(xié)議要求首爐換料元件用上國產(chǎn)化的鋯材和制品，以此來檢驗技術轉讓的成功與否。由國家核電技術公司和寶鈦集團有限公司共同出資組建的國核寶鈦鋯業(yè)股份有限公司受讓西屋鋯材生產(chǎn)鏈的全部技術，將形成完整的鋯生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)鏈?，F(xiàn)有100 t/a核級鋯管材的生產(chǎn)能力，計劃在3年內(nèi)形成年產(chǎn)1 000 t核級海綿鋯、500 t核級成品鋯材、500 t工業(yè)鋯的生產(chǎn)規(guī)模。

4.6 我國核燃料制造技術的進展

涉及核燃料制造技術的轉讓從1991年算起，至今已有18年，如果把2013年我國開始生產(chǎn)AP1000核燃料元件作為這一輪技術引進的結束的話，時間跨度為23年。

在20多年的時間里，我國先后引進了法國的M310核電技術、俄羅斯的WWER1000核電技術、加拿大的CANDU6核電技術和現(xiàn)在正在引進過程中的第三代核電技術——美國西屋公司的AP1000核電技術和法國阿?，m公司的EPR核電技術。與此相對應，我國核燃料制造技術先后引進了法國AFA-2G、AFA-3G與全M5 AFA-3G三種核燃料制造技術，俄羅斯WWER1000核燃料制造技術，加拿大CANDU6核燃料制造技術，并且實現(xiàn)了制造本地化。目前正在引進美國AP1000核燃料制造技術以及法國EPR核燃料制造技術，并將實現(xiàn)制造本地化。

我國還先后引進了法國M5合金包殼管制造技術，俄羅斯E110合金包殼管制造技術，加拿大CANDU6型燃料棒束的包殼和各種板、棒、絲材的制造技術。三代核電招標引進了美國西屋公司鋯材生產(chǎn)鏈的全部技術，將在3～5年時間內(nèi)形成我國完整的鋯生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)鏈。

核電技術的多樣性，實質(zhì)上帶來了核燃料元件的多樣性和嚴重的技術壁壘。燃料制造不同于其他燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)。天然鈾、轉化和鈾濃縮提供的產(chǎn)品屬于通用產(chǎn)品，具有原材料的特征。而燃料組件是核反應堆的核心部件，是非常復雜的工程產(chǎn)品，要通過詳細的設計，嚴格的審評以及實驗檢驗。作為專用產(chǎn)品的核燃料組件是專門為某一種特定的堆型，甚至有時是為某一個反應堆設計制造的。這是燃料制造在燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)中的特殊性，應該對此有充分的認識。例如，法國的AFA系列核燃料組件既不能用于俄羅斯的WWER100反應堆，也不能用于西屋公司的AP1000反應堆，反之亦然（起碼目前不能）。每次技術引進的核心是通過引進該特定燃料的制造和檢驗要求和相應的專利工藝技術，取得該特定燃料的制造許可、直接批量制造并入堆使用。應該說通過這一輪引進，我國燃料組件的制造技術水平和能力已接近或達到國際水平。

5 挑戰(zhàn)和對策

5.1 我國核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

目前，我國核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)有很多。

我國核燃料循環(huán)前端產(chǎn)業(yè)總體規(guī)模小，裝備和技術水平與國外發(fā)達國家相比有比較大的差距，不足以支撐我國核電建設的大發(fā)展。我們應該如何根據(jù)我國核電快速發(fā)展的態(tài)勢，擴大產(chǎn)能、提高水平，保障我國核電的可持續(xù)發(fā)展？

核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)是一個充分市場化的國際化的產(chǎn)業(yè)。世界各核大國都關注著我國核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)這塊大蛋糕。我們應該如何面對國際競爭，在開放的、全球化的框架中考慮我國核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展？

核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)是整個核工業(yè)的基礎，事關國家安全。世界各核大國都十分重視對本國核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)的保護。開放和保護是矛盾的統(tǒng)一體。我們應該如何考慮、研究和落實對我國核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)的保護政策？

國內(nèi)核電大發(fā)展引發(fā)了對舊有體制的巨大沖擊，在核電領域的競爭態(tài)勢已經(jīng)形成。舊有的核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)體制必然也會受到?jīng)_擊。我們應該如何積極應對、研究和調(diào)整核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)體制，避免無序競爭？

核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)大國并不一定是核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)強國。我們應該如何加強行政協(xié)調(diào)，整合全國資源，搞好頂層設計，在開放的全球化的框架中進行高水平的創(chuàng)新？

5.2 加強對策研究

我們需要認清形勢，轉變觀念，思想要適應已經(jīng)發(fā)生巨大變化的形勢。我國將成為世界上核電規(guī)模最大的國家，與之相對應，我國核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)也必將成為世界上最大規(guī)模的核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)。我們當代核工業(yè)人正在為之努力奮斗，把這種可能性變?yōu)楝F(xiàn)實。這是我們光榮而崇高的使命。

核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)是全體核工業(yè)人的事業(yè)，要加強行政領導和協(xié)調(diào)，統(tǒng)一認識，加速調(diào)整體制，積極推進建立以股份制為核心的現(xiàn)代企業(yè)制度，防止無序競爭，防止把集團利益置于國家利益之上的事情發(fā)生，促進我國核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

要加強對策研究，要像制定核電發(fā)展規(guī)劃一樣，制定國家層面的核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，確定技術發(fā)展路線圖，積極推動我國核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

[1] 李冠興. 我國核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機遇[J].鈾礦地質(zhì)，2008，24（5）：258.

[2] Australian Uranium Association [R]. Table of the World PoWtr Reactor，2008，1.

[3] Australian Uranium Association[R]. Table of the World PoWtr Reactor，2008，1.

[4] British Geological Survey，Uranium[R]，2007,3.

[5] WNA. The Nuclear Fuel Cycle[R]，2007,1.

[6] WNA. Uranium Enrichment[R]，2007,10.

[7] World Nuclear Fuel Facilities（2007)WISE Uranium Project[R].