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摘要:核燃料產業通常包括了鈾濃縮、采冶、天然鈾勘查、燃料元件制造等部分構成。隨著科技創新和科技成果轉化速度加快，我國核燃料產業進入了高速發展的時期，進一步推動了核能的發展，也進一步體現出了我國核能發展的水平和能力。當前，在我國核電發展的推動作用下，核燃料產業的發展水平也進一步得到了提升，在技術不斷創新的過程中，為我國核電可持續發展提供了安全、技術上的保障。在經濟全球化過程中，中國核燃料產業進一步加快了商用化和國際化的速度，在這個過程中我國也面臨巨大的競爭壓力。通過對全球核燃料產業當前發展形勢進行分析的方式，能夠為核燃料產業未來發展趨勢進行有效判斷，并在此基礎上才能夠采取有效的發展措施。本文主要對世界核能技術的發展歷程進行了分析，著重分析了我國核燃料產業的發展現狀，并探究了站在核能可持續發展過程中先進核燃料循環技術的作用，最后對我國核燃料循環后段技術的現場及其未來發展趨勢進行了分析，希望為我國核燃料產業未來的發展不斷夯實基礎。

關鍵詞:核燃料產業;核燃料循環技術;發展趨勢

1世界核能技術發展歷程

針對設計核能產業發展這一問題，國際上當前采用的依舊是美國能源部的提法。20世紀50～60年代推出的原型堆在學術界被稱之為第一代;20世紀70年代推出的商用動力堆被稱之為第二代;20世紀末期所推出的先進水冷堆則被稱之為第三代。而在1999年提出的，預計于2030年以前實現的核能系統被稱之為第四代，力求在2030年之前開發出六種第四代核電站新型反應堆。目前，世界上所運行的核電站的發電總量在2500億千瓦左右，占世界總發電量的17%，而目前除了日本的核電站在使用第三代反應堆外，世界上大部分國家仍然在使用第二代反應堆。所以第二代核電的技術更加成熟，在安全性、經濟性等方面有較高的保障，運行起來也比較穩定。第三代核電在第二代核電的升級版本，與第二代核電相比，其優勢在于有更好的安全性和經濟性特征，所以在應對重大事故的時候，可以避免將設備故障轉變為反應堆事故，進一步降低了堆芯熔化事故的概率。核電之所以從第二代向第三代發展，是建立在相關核電技術趨于成熟的基礎上，在技術不斷創新和改進的過程中，核電的安全性與經濟性得到了進一步提升，使得核電技術在市場上具有更強的競爭能力。第四代核電也是在第三代核電的基礎上發展起來的一種先進系統，雖然目前仍然未實現，不過我們已經明確了其需要具備什么樣的特點(循環經濟)。從2002年在東京召開的關于第四代核電站的會議來看，第四代核電站基本具備資源可持續性、高度安全性和良好經濟性的特點，同時還需要具備強大的防盜和防非法轉移的特點，這就進一步為第四代核電站的發展指明了一個方向。近年來，IAEA每一年都會對未來20～30年的發展情況進行預測，結果表明未來國外核能發展情況不容樂觀，持續保持裝機穩中有增難度較大，所以在國際核燃料市場中的競爭壓力并不會降低，而我國核燃料產業想要保持競爭優勢未來還需要面臨非常嚴峻的挑戰。

2我國核燃料產業發展現狀

2．1鈾濃縮產業發展質量持續提升

我國核燃料產業在發展的過程中，已經建成了具備安全自主知識產權的鈾濃縮離心機大型商用示范工程，單機分離效率得到了大幅度提升，進一步提高了我國鈾濃縮的整體技術水平，促進了鈾濃縮經濟性的提升。在我國鈾濃縮工程模塊化建設水平不斷提升的過程中，從工程的設計階段到后期竣工階段，時間可以控制在3～5年左右，在我國核能規模化發展的過程中，可以更好地滿足對鈾濃縮的需求。2018－2020年期間，我國新開工核電機組對鈾濃縮的需求進一步增加，所以在2020年我國已經開始建設一條新的鈾濃縮生產工程，并積極對鈾濃縮運行進行了改進，鈾濃縮企業進一步實現了標準化生產，降本增效政策進一步落實，使得鈾濃縮企業在國際上的競爭力大幅提升。

2．2核燃料加工生產線保持安全穩定運行

從目前的情況來看，我國在南北地區各有一個重要的核燃料制造基地，配置了重水堆、壓水堆、高溫氣冷堆等重要燃料組件生產線。在我國核電快速發展的過程中，核燃料元件生產的穩定性得到了進一步提升，已經能夠滿足我國核電發展的需求。在N36鋯合金鑄錠、TＲEX管坯、管材等先后通過合格鑒定之后，鋯合金材料批量化產品也成功線下，同時也通過了產品合格鑒定，N36鋯合金材料的質量得到了更加穩定的保障，同時先進核燃料生產的工藝水平也得到了大幅度的提升。以壓水堆燃料組件為例，國內企業積極推進了自主CF系列核燃料元件研發及其產業化應用，在這個過程中CF2組件產業化應用已經取得了實質性進展，同時具備了商用化的條件。尤其是在2020年，我國CF2組件產業化應用又取得了新突破，“華龍一號”海外首堆CF2核燃料組件按時交付同時進行了裝料。截至2020年底，中國核工業集團已經完成了環形燃料入商用堆考驗組件設計，疏通了環形燃料組件整個制造、組裝和檢測的流程，突破了堆芯安全相關的關鍵臨界熱流密度試驗技術，實驗數據與預期數據切實相符。中國核工業集團所開展的涂層鋯合金耐事故燃料的研發也非常順利，制備完成全尺寸Cr涂層管，同時核安全局也提交的相關的試驗入堆輻照申請。

2．3鋯合金產業自主創新加速

關于我國先進核燃料方面的問題，“十三五”期間，中國核工業集團自主研發出了一種名為鋯合金N36的材料，這一成果標志著我國先進核燃料材料已經正式從研發階段轉化成了商業化供應階段，近年來，在我國核工業不斷發展的過程中，我國核級海綿鋯產業的發展也得到了十足進步，國內目前已經建成了三家具備生產核級海綿鋯的廠家。雖然我國核級海綿鋯的產量并不高，但是其生產成本很低，核級海綿鋯的質量也比較高，生產技術、經濟指標在國家上也處在領先地位，因此在2020年我國已經成功向俄羅斯出口一批核級海綿鋯。堅持以科技驅動為基本，堅定聚焦關鍵技術，切實打造科技成果轉化高端平臺，打造一體化的產業發展轉化鏈，研判新階段重點，提升整體發展的活力。積極通過巡檢機器人技術、智能視頻監測技術等構件工廠三維建模、數字孿生技術等的研究分析，積極推進現代化、智能化DCS平臺發展，實現同心多元發展。

2．4核燃料循環后段

在核能發展中核燃料循環體系是非常重要的一個部分。我國長期以來，始終堅持閉式核燃料循環政策，致力于提高鈾資源利用效率，同時加強對放射性物質的治理力度。目前，中國的核燃料循環系統尚存在后處理能力不足的問題，一些關鍵技術和設備不能獨立，與法國、俄羅斯、英國和日本等核大國相比，仍有很大差距，加快核燃料循環后期的發展是中國核電發展的現實要求。后級能力與核電發展密切相關，屬于相互依存關系。“十三五”期間，我國正逐漸加強對核燃料的處理，包括了運輸、儲存、后處理等工序，其中就涉及了放射性物質的處理，并構建了相應的處理體系，在核燃料處理的各個方面都取得了實質性進展，實現了對核燃料的安全管理，進一步促進了我國核能的可持續發展。以我國壓水堆核電站為例，2020－2021年之間，總共生產了乏燃料6513tHM，目前還有5957tHM儲存在堆水池當中、有110tHM儲存在核電廠的干式貯存設施當中。為了對核燃料進行安全管理，為核電站的穩定運行提供安全保障，我國進一步加強了對核燃料運輸、貯存等環節的管理，進一步對核燃料循環體系進行了完善。

3先進核燃料循環技術對核能可持續發展的作用

3．1核燃料循環概述

核能的生產技術與超常規的能源生產技術相比存在較大的差異。核燃料循環主要由鈾礦開采、鈾礦精煉、鈾濃縮等環節構成。需要將開采到的鈾礦進行精煉和水冶，從而產生鈾濃縮物U3O8，隨后需要使用離心法或氣體擴散法等方法，將UF6中的鈾－235同位素進行濃縮，確保能夠滿足反應堆對鈾濃縮的需求。制造反應堆所需的燃料，將要將UF6轉化成為UO2，同時將UO2壓制成小片氨，并封裝到燃料棒中，最后建成燃料組件，隨后利用反應堆進行發電。燃料在反應堆中進行燃燒后需要對其進行處理，將燃燒過后的燃料中的殘存鈾取出，便于制作出新的燃料元件。隨后需要對放射性廢物進行處置，包括超鈾元素廢物、高放廢液玻璃固化廢物等的處理。核燃料在上述各個環節當中都能夠進行運輸。

3．2核燃料閉式循環與核能可持續發展的關系

實現核能可持續發展，需要解決兩個方面的問題:首先是需要在實現鈾資源利用最優化的基礎上，減少核廢物的排放。從當前的國際水平來看，已經實現已經由研發階段轉化為商業運用階段的熱對燃料循環，部分已經實現了分離钚與鈾的再循環，從而有效提高了鈾資源的利用水平和效率，在減小核廢物堆放體積方面展現出了良好的效果。20世紀90年代初期，國外已經開始了對先進核燃料循環的研究，進一步推動了核燃料循環體系的發展。該研究項目主要是建立在熱堆燃料循環的基礎上，同時實現了與未來的快堆或加速器驅動系統相結合。在逐漸引進了快堆燃料循環、ADS燃料循環等技術后，未來先進的后處理技術能夠實現對快堆－ADS乏燃料和熱堆ADS－乏燃料的處理，從而實現Pu、U與Ma的閉合循環，在充分利用鈾資源的過程中，也能夠將核廢物的毒性、體積降到最低。比如熱堆核燃料閉合循環的方式，主要是通過后處理的方式將熱堆乏燃料中的鈾和钚提取出來，隨后鈾和钚會重新進入熱堆中進行再循環，以此來提高鈾資源的利用效率。在熱堆電站乏燃料當中，鈾的含量大概在95%左右，而钚的含量大概在1%左右，剩下4%主要由Ma和Fp組成。在經過后處理之后，所得到了貧化鈾與钚混合，最終生產MOX燃料。該燃料中钚的含量通常會受到熱堆中反應性的限制，因為Pu－239在發生裂變反應的時候所發射的緩發中子數遠遠比U－235所發射的耕地，所以說在MOX燃料中钚的含量不能夠過高，避免出現反應堆失控的情況。

4我國核燃料循環后段技術現狀及未來發展趨勢

4．1后處理技術

核燃料后處理分離相當復雜，對操作的放射性水平要求非常高，所以后處理技術的操作難度非常大。乏燃料后處理PUＲEX流程最開始針對核武器生產中的钚而發展的，隨后在動力堆乏燃料后處理中也采用該流程，不過在燃耗不斷增高的過程中，動力乏燃料后處理的技術難度進一步得到了增強。最早的商用后處理廠由美國建成，20世紀70年代末，美國政府以避免核擴散的理由將商用后處理廠進行了凍結，不過當時美國也沒有停止對后處理技術的研究。在后續一段時間里，英國、蘇聯、印度等國先后也建成了商用后處理廠。截至2020年，全球商用后處理廠的產能在4000t/a左右，占全球核電站乏燃料年泄出量的1/3左右。從目前的情況來看，世界各國已經逐漸積累了較為成熟的運營經驗，后處理技術也逐漸趨于成熟。為了盡快適應第四代核電站發展的需求，對后處理廠的經濟學、安全性和穩定性提出了更高的要求，所以在未來還需要進一步對后處理廠的技術工藝、設備等進行優化。在這樣的情況下，不僅需要對后處理PUＲEX流程進行優化和改進，切實考慮到Ma與LLFP的分離和嬗變，國際上提出了先進后處理的概，分別包括了后處理高放廢液分離和全分離兩種方案。全分離方案主要是站在鈾、钚、Ma和LLFP的角度出發，推出了一種新的分離流程，不過全分離方案的操作難度較大。后處理高放廢液分離方案，是對后處理PUＲEX流程進行改進，將三價Ma從高放廢液中進行分離。目前，國際上主要采用的是后處理高放廢液分離方案，該方案的優勢在于，能夠基于現有后處理廠建設高放廢液分離工廠，并且相關技術已經區域成熟，實施起來難度較低，對資源、資金的需求量相對較低。

4．2快堆燃料循環技術

達到以快堆為引導的閉合燃料循環商用化的目標，是我國實現大規模核裂變能的重點，預計在2030年之前，核工業發達國家的快堆和先進燃料閉合循環技術就能夠初步實現商業化。應用快堆燃料循環技術，包括了快堆燃料制備和快堆燃料后處理等流程。因為快堆燃料的燃耗非常高，同時其釋熱率與放射性輻射非常高，所以必須將傳統的水法后處理轉化為干法后處理。干法后處理的優勢在于，試劑具有更好地耐輻射性能，具有防擴散、經濟性的特點，相關設備操作起來也比較簡單。長期以來，國際上都將干法后處理技術當成未來乏燃料后處理的候選技術，不過很多國家目前仍然還處于實驗階段，而俄國、美國已經初步實現了半規模化，在國際領域中處于領先地位。關于快堆燃料的問題，MOX燃料技術算得上是一種比較成熟的技術，不過該技術的增殖性比較差。所以為了進一步縮短增殖周期，還應當加強對金屬合金燃料的研究，如鉻金屬就是最典型的代表。從目前的情況來看，也只有美國掌握了加工U－Pu－Zr金屬合金燃料的技術，日本當前也在借鑒美國的成功經驗，加強對金屬合金燃料技術的研究。而針對快堆核能系統的研發，1999年日本啟動了針對商用快堆循環可行性的研究計劃，充分利用快堆循環的優勢，在保證安全性的基礎上增強了該技術的經濟性和競爭性優勢，進一步明確了商用快堆循環的發展方向，其開發思路是快速打通快堆循環系統的所有節點，為實現快堆循環系統商用化奠定良好的基礎。相比而言印度的快堆循環研究計劃也不是僅限于對快堆進行研究，而是加強了對快堆循環系統所有環節的研究，在燃料制備、后處理、燃料再循環、核廢物處理、等方面取得了實質性成就。

5結語

國際上致力于在2030年之前建成第四代新型核電站，我國也同樣有這樣的目標。不過從目前的情況來看，我國核燃料循環后段技術的基礎還比較薄弱，而想要實現核燃料產業的可持續發展，未來還需要面臨巨大的挑戰。所以我們還需要加強對后處理技術的研究和利用，在建立商用化后處理廠的目標引導下，不斷提高后處理運行能力，不斷在建設大廠的過程中積累豐富的經驗。在實際的發展過程中也需要做好頂層設計，積極加強政府主導，落實相關法律法規制定，促進政企融合發展，實現核處理后段能力建設，同時，我國還需要積極汲取國外先進的技術和經驗，也要銘記國外失敗的教訓，集合國內外研發成就，積極推廣核文化宣傳工作，強化立法工作，為我國核燃料產業發展奠定扎實的基礎。

參考文獻

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［3］葉國安，鄭衛芳，何輝，等．我國核燃料后處理技術現狀和發展［J］．原子能科學技術，2020，54(S1):75-83．

作者:黃潔絲 單位:中國原子能工業有限公司