CANDU-6型重水堆釷-鈾燃料循環的技術經濟性分析

班 釗

（中核核電運行管理有限公司運行五處，浙江 嘉興314000）

1 課題研究意義及背景

能源問題是人們最關注的問題之一。隨著我國核能事業的快速發展，對核燃料鈾的需求將越來越大，但天然鈾的資源非常有限。釷作為可轉化為核燃料的資源，是一種核能發展的潛在資源。我國是一個鈾礦資源比較貧乏，而釷儲量相對比較豐富的國家。因此，尋找一條高效的釷資源的利用途徑對于解決核燃料的短缺問題具有重要意義。

釷的資源大約比鈾豐富3～4倍。作為一種易于開采的資源。因此，釷燃料能夠補足鈾燃料，確保核能的可持續發展。天然釷中100%是232Th，沒有易裂變核。在反應堆內由239Pu或235U這類易裂變核放出的中子被232Th吸收后生成233U是易裂變核，其相關反應可由式（1）～式（3）表示：

作為核燃料，233U具有優良的核性質。

2 計算方法介紹

根據前人的研究成果，傳統的鈾循環成本計算九因子公式如下：

式中各項分別為：

天然鈾的費用F1

天然鈾的轉化成本F2

鈾濃縮成本F3

燃料元件加工費用F4

乏燃料元件運輸費用F5

中間貯存費用F6

乏燃料封裝/處置費用F7

鈾收益F8

钚收益F9

3 技術方案的比較和選擇

3.1 燃料循環模式

3.1.1 自持穩定釷循環（SSET）

最終的保存鈾的策略為SSET，即self-sufficient equilibrium thorium cycle。這個概念的重點是233U達到自持，即再生的新燃料中的233U等于乏燃料中的量。理想的SSET不需要天然鈾。這種循環僅第一次233U裝料需要外部生產。從燃料利用可持續發展的觀點來看，SSET是利用釷的最好策略。

3.1.2 直接自循環

直接自循環的概念是：通過再次利用照射過的氧化釷燃料元件（含233U），可以直接從釷中得到額外的能量，無須后處理過程。對每一個再循環過程，混合燃料元件中氧化釷元件的再次利用，可得到額外的大約20 MWd/kg的燃耗。

3.1.3 一次通過式釷循環（OTT）

OTT（Once Through Thorium cycle）強調通過謹慎的燃料裝載就地生產和焚化233U。OTT循環在乏燃料中留下了數目穩定將來可以再生的233U，但何時利用需要經濟或資源方面的考慮來決定。這個循環創造了一個寶貴的被安全儲存于乏燃料中的233U來源。

3.2 關于技術方案選擇的小結

就資源合理利用的可持續發展以及盡量解決能源危機的角度來說，實現釷基閉式循環是大勢所趨。然而在現有的技術條件下，只能暫時求其次。

由于秦山三廠CANDU堆目前的燃料循環即為一次通過式鈾循環，因此在短期內，不對系統和設計做較大變更的情況下，較容易實現的是釷鈾混合OTT式循環。

4 成本計算

4.1 計算程序簡介

計算所用程序是借用清華大學工程物理系核能所畢業生范黎同學開發的關于釷鈾燃料循環成本的計算程序。程序是基于Windows系統下的C++語言開發。可使用默認的缺省入口參數或手動修改入口參數，以計算不同堆型不同技術方案的燃料循環成本。

4.2 入口參數

不同技術方案的入口參數具體列在表中。為了便于相互之間的比較，各種技術方案使用了相同的入口參數項目。

4.3 計算結果——各技術方案成本組成對比

成本組成的對比列于表1中。

表1 成本組成對比（%）

4.4 小結

由上可見，盡管隨著技術的進步，釷燃料發揮的作用越來越大，但由于鈾燃料的天價以及反應堆對鈾的需求量仍然較大，使得前端購買鈾燃料棒的費用（包括天然鈾、轉化、鈾濃縮和鈾棒制作等環節）依然是影響核燃料循環成本的最重要因素。即使在最理想的技術方案中，這一部分還是占到了40%左右。第二重要的因素，對于CANDU堆應用釷—鈾燃料循環來說，是在循環后端，乏燃料貯存以及后處理的費用。

在各種方案橫向對比中不難發現，釷燃料的利用率越高，電廠對于鈾燃料的需求量越低，則平準化發電成本越低。要想使釷燃料得到更充分的利用，以進一步降低成本，就必須加大對后處理技術環節的前期投入。這是一對矛盾。從整個壽期來看，越早實現釷燃料入堆，越能降低平均發電成本。

5 總結與討論

釷作為一種優點眾多的資源，在核能開發的領域擁有很大的潛力。對鈾資源不夠充足而稀土資源非常豐富的中國來說，尤其如此。特別是秦山三廠兩臺CANDU—6型重水堆，具有高中子經濟性、增殖率高、不停堆換料、簡單可變的燃料棒束設計以及優良的燃料循環靈活性和燃料適應多樣性等優點，不論是應用釷基燃料循環進行研究還是商業運營方面都具有壓水堆無法比擬的先天優勢。

5.1 釷－鈾燃料循環策略綜述

全球釷儲量十分豐富。中國的稀土資源世界第一，釷的儲量也非常巨大。ThO2燃料采用傳統冶金方法，在還原性或氧化性氣體中進行冷壓和高溫燒結。ThO2-PuO2，ThO2-UO2燃料可以采用：冷壓和高溫燒結、注入法、溶膠凝膠微球體制粒過程（SGMP）來進行制造。

釷鈾燃料策略從宏觀上，分為開式和閉式兩大類。開式循環的情況，目前研究的比較成熟的策略為一次通過式釷循環（OTT）,可能是最先投入商業運行的釷鈾燃料循環策略。而能夠不停堆進行換料的CANDU重水堆無疑是率先實現商運釷鈾燃料循環的最佳選擇。

閉式循環策略也稱為自持穩定釷循環（SSET）。在這個概念下，能夠實現233U的自持穩定循環，不需要外界加入分裂物質。這將是充分利用釷的最好策略。

綜上，從技術角度來說，為了核能利用的可持續發展和資源的充分合理利用，實現自持穩定釷循環（SSET）是大勢所趨。在目前技術能力還達不到的情況下，結合CANDU堆的特性和目前較成熟的OTT式循環技術實驗基礎，以及本文前面章節所做的調研和分析，可以得出結論：實行直接自循環，無論是從技術成熟度和可操作性，對秦山三廠現有系統設備的改造程度，還是經濟性幾方面來看，都是比較理想的方案。

5.2 釷—鈾燃料循環經濟性分析綜述

在燃料循環的三個階段里，循環前端占的比例最大，對總體的影響最大。

隨著鈾價走高，鈾資源日益短缺，釷基燃料循環在可持續發展能力和經濟效益上的優勢已經顯露無遺。所以，及早引入釷鈾新型燃料循環，并在釷鈾循環中盡量減少鈾的用量，提高釷的利用率和燃耗，是最大限度降低發電成本的不二法門。

就文中所得到的經濟性分析方面的數據結果來看，CANDU堆在引入釷鈾循環的各種可能的技術方案中的平準化發電成本全面低于現行鈾循環。在現有CANDU堆內實行以DUPIC為驅動燃料的帶后處理的混合堆芯一次通過式（OTT）循環，是降低燃料循環成本的一條非常切實可行的路線。在技術便捷性和對系統設備的影響以及先期投入等方面，直接自循環方案仍然占有優勢。在經濟性方面，直接自循環也僅次于前面提到的DUPIC循環，仍然可以顯著降低平準化發電成本。

5.3 對進一步工作的展望

論文中還存在著一些缺陷，首先，釷基燃料循環中釷的后處理部分有關工藝和具體成本組成沒有調研到；其次，后處理環節中回收鈾、钚的收益由于計算程序上的局限沒有納入考慮；還有就是由于時間關系，敏感性分析做的不到位。

對于核電廠來說，首要的任務是安全運行，保障核安全。客觀上無法承擔技術創新的骨干任務。但是在新技術，新機遇，新的經濟增長點面前，每一家企業都沒有理由畏縮不前。