回收鈾利用現狀淺析

劉偉

【摘 要】乏燃料后處理回收的鈾約占燃料金屬重量的95%，回收鈾的再利用，可以有效節約天然鈾資源，減少大量乏燃料處置費用，降低濃縮分離功的消耗。論文通過綜述國內外回收鈾加工應用現狀，對國內回收鈾使用提出了相應建議。

【Abstract】The mass of uranium recycled by spent fuel reprocessing is 95% of total fuel mass. The use of recycled uranium could effectively save the natural uranium resource， reduce the cost of spent fuel reprocessing and the consumption of enrichment and separation work. By summarizing the worldwide application situation of recycled uranium， the paper proposes some suggestions on the use of uranium in China.

【關鍵詞】回收鈾；乏燃料；鈾資源

【Keywords】recycled uranium； spent fuel； uranium resource

【中圖分類號】TL249 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0172-02

1 引言

回收鈾也稱堆后鈾，是指從核電站卸出的乏燃料經過一系列的轉化和分離后得到的鈾[1]。乏燃料后處理回收的鈾約占燃料金屬質量的95%，其U-235的豐度為0.8～1.3wt%之間。從資源的角度看，回收鈾的利用可以有效節約天然鈾資源，減少大量乏燃料處置費用，降低濃縮分離功的成本。國際上許多國家開展了回收鈾加工和循環利用，回收鈾作為重要的鈾資源補充方式，其開發利用具有廣泛的前景。

2 回收鈾國內外應用情況

2.1 國外使用情況

①英國

英國回收鈾主要來自Magnox反應堆的金屬燃料。從1960年Magnox反應堆運行以來，其所有的乏燃料都進行了后處理，其中約有1600t鈾再濃縮用于制造AGR燃料。到90年代中期，約60%的AGR燃料是由Magnox反應堆乏燃料回收鈾制成的。

②法國

法國電力公司（EDF）早在上世紀80年代初就研究了在壓水堆中使用回收鈾的可行性。從1997年開始，EDF在Cruas-3和Cruas-4堆大批量使用RU燃料，兩個機組都獲得了全堆芯裝載回收鈾的批準。自1997年以來，其回收鈾的年使用量大約為150～400噸。到2003年底，法國約獲得9600噸源自法國壓水堆乏燃料的回收鈾，其中2900噸已在法國壓水堆核電廠中使用，剩余6700噸回收鈾被轉化成穩定形式以待未來使用。

③德國

德國于上世紀70年代早期就開始回收鈾循環利用嘗試。1971—1972年，含有回收鈾的34組MOX燃料組件被裝入15MWe的沸水堆。從1982年開始，采用回收鈾制造的燃料組件在340MWe的奧布利希海姆反應堆、810MWe的GKN-1壓水堆上進行輻照考驗，用以驗證其可行性。到2003年底，德國共獲得5078噸源自德國商用輕水堆乏燃料的回收鈾，其中2696噸已在德國輕水堆機組中使用，剩余的回收鈾被轉化為穩定形式以待未來使用。

④日本

日本具有大量的回收鈾管理經驗，如回收鈾與低濃鈾摻混、回收鈾與钚制成MOX元件、回收鈾直接再濃縮等。針對回收鈾的濃縮，日本PNC原型離心廠1989年開始運行，該廠與關西電力公司（KANSAI）和東京電力公司（TEPCO）共同實施了回收鈾再濃縮測試論證，論證期間共有40噸回收鈾通過再濃縮制成燃料裝入大飯（Ohi）壓水堆和福島第一核電廠沸水堆中進行了測試，取得了預期結果。

⑤俄羅斯

俄羅斯擁有工業規模的回收鈾燃料加工經驗，其加工回收鈾的設施主要有兩處，分別位于謝韋爾斯克的西伯利亞化學企業（SCC）和埃列克特羅斯塔爾的OAO MSZ公司。上世紀90年代初，SCC公司為AREVA NC公司進行了回收鈾的再濃縮，并開展回收鈾凈化研究，降低了回收鈾產品中U-232含量。OAO公司擁有專用的回收鈾燃料元件生產線，曾經采用來自英國Thorp廠的回收鈾進行422噸燃料元件制造生產。

2.2 國內使用情況

國內回收鈾應用主要是在重水堆上利用壓水堆回收鈾方面進行示范驗證和探索研究。2011年，中核北方核燃料元件有限公司利用壓水堆回收鈾與貧鈾摻混制得等效天然鈾燃料棒束并進入秦山第三核電有限公司1號機組進行輻照。根據運行期間的堆芯檢測、出堆后的水下檢查以及熱室檢查結果，該型燃料核特性以及輻照性能方面和天然鈾相當，適用于作為國內重水堆的替換燃料[2]。

3 回收鈾利用的意義

3.1 回收鈾利用可有效提高資源利用率

采用乏燃料一次通過的方式，鈾資源利用不足1%，造成大量鈾資源的閑置和浪費。有資料顯示，如果將回收鈾與堆后钚制成MOX元件，通過快堆增殖，反復循環使用，鈾資源利用率理論上可達60%～70%。如果僅考慮回收鈾的單獨回收利用，通過回收鈾再濃縮、與低濃鈾摻混應用于壓水堆或直接應用于重水堆，可以節約10%～20%天然鈾資源。同時，由于壓水堆回收鈾U-235富集度0.8～1.3wt%，高于天然鈾（0.71wt%），可以節約大量分離功，省去天然鈾利用的采礦、水冶等工序，提高了資源利用率。

3.2 回收鈾利用可減少放射性廢物的處置量

廢物最小化是核能可持續發展的基本原則。燃料組件中僅有約1%的U-235同位素在熱中子的作用下發生裂變反應，這意味著燃料組件中99%的能量未被利用而變為乏燃料。乏燃料如果不及時進行處理和回收使用，勢必需要建設核廢料處置場，這意味著高額的建設、運行和管理費用（美國的尤卡山項目預算962億美元）。通過乏燃料后處理進行回收鈾的利用，可以有效減少放射性廢物的處置量。

3.3 回收鈾對于天然鈾國際市場具有調節作用

回收鈾作為鈾資源供應的一種補充方式，為核電發展國家提供了另外一種選擇，對于抵御國際天然鈾市場價格波動具有一定作用。例如在2003年到2007年底不到5年時間，天然鈾價格漲了10倍以上，對于和我國核電規模發展類似的國家，核燃料供應和鈾資源保障尤為重要。加強回收鈾的利用，對于降低天然鈾價格波動，保障鈾資源穩定供應具有重要意義。

4 回收鈾應用面臨的主要問題

經過近四十年的發展，全球眾多國家在回收鈾加工利用方面已經積累了較為豐富的經驗。回收鈾的加工制造與天然鈾相比差異性較小，技術性和安全性方面沒有明顯差別[3]，回收鈾幾乎可以完全采用天然鈾加工工藝及設備進行加工，只是需要一條專門的加工生產線作必要的輻射防護。

回收鈾加工及產業化應用已經具有較為堅實的基礎，而且產業規模也已形成。但是，回收鈾的開發利用仍面臨以下問題和挑戰：①回收鈾加工成本和加工成燃料前的貯存管理成本略高，回收鈾的應用并非基于市場驅動，主要是政府間的后處理協議。尤其是近期天然鈾的價格持續低迷，如何推動價格略高的回收鈾的使用，是需要思考的問題；②按照當前全球核電裝機規模，每年將產生約1萬噸HM乏燃料，回收鈾的獲取源于乏燃料的后處理，但目前全球回收鈾循環設施布局及能力還未完全適應潛在需求；③盡管國際標準化組織（ISO）和美國材料與試驗協會（ASTM）也對回收鈾和濃縮回收鈾的可接受核素水平進行了規定，但由于后處理工藝不同，以及反應堆運行工況的實際差異，會造成回收鈾的組分變化，因此需要建立回收鈾加工和應用的標準體系。

5 結語

綜上所述，主要核電國家在回收鈾轉化、再濃縮、元件制造等方面已經擁有相應能力，回收鈾使用過程中的除雜和輻射防護問題已經解決，回收鈾堆內輻照性能已經得到驗證，若干的工藝標準體系已經建立。隨著全球核電持續發展，鈾資源需求不斷增加，伴隨回收鈾加工、應用新技術的不斷進步，回收鈾的開發利用前景廣泛。

我國核電主要是以壓水堆為主，將來大量壓水堆的乏燃料通過后處理以后，勢必將產生大量的回收钚和回收鈾。回收钚可以與鈾混合制成MOX燃料重新裝入壓水堆使用或者放入快堆增殖，屆時將面臨大量的回收鈾開發利用問題，因此，當前國內應加大回收鈾開發應用力度，重點研究，科學規劃，完善相關體制機制和法規標準，為將來我國大量的回收鈾尋找一條經濟高效的利用之路。

【參考文獻】

【1】回收鈾應用將開啟核能可持續發展新篇章[J].核燃料專題綜述，

2016（01）：24-25.

【2】李金英.我國乏燃料后處理大廠建設的幾點思考[J].核化學與放射化學，2011，33（4）：204-210.

【3】劉華.國外乏燃料后處理概況[J].化學工程與裝備，2012（11）：122-126.