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日志

 
 

中国化重水堆的创新思维  

2015-10-13 13:58:12|  分类: 核能技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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——专访中国重水堆应用研发项目负责人张振华

  中国核燃料闭式循环正在迈出重要的一步。

  2015年7月,回收铀生产线放射性废液处理试验通过了专家审查。随着这一关系等效天然铀燃料能否批量制造用于全堆应用的关键技术的攻克,中国重水堆距离回收铀全堆应用就只剩一步之遥。这意味着在回收铀生产线改造获得许可并开工后,重水堆回收铀全堆应用有望2016年年底实现。这也意味着,中国站在了世界重水堆先进水平的前沿。而事实上,中国重水堆回收铀利用的每一步路,都渗透着无比的艰辛,困难比想象要多。

  在重水堆回收铀利用研究的近8年时间里,作为回收铀研发项目负责人,秦山核电业主公司副总经理张振华及他的团队用他们的倾心和坚守,谱写了一曲中国重水堆的华丽乐章。他们的努力,使中国在重水堆创新——回收铀应用——钍资源开发的产业发展中成为先导者。近日,本刊记者就重水堆的中国式创新发展实践与新思维采访了张振华。

  重水堆开发的新领域

  记者(以下简称“记”):重水堆在世界反应堆家族中虽是个小众,但近两年来也在获得越来越多的关注。请您谈谈重水堆在中国发展的背景及现状。

  张振华(以下简称“张”):一直以来,我们国家主要技术路线都是发展压水堆,为什么还要引进重水堆?重水堆的引进有其政治背景、技术背景和资金背景。政治背景是当时中加两国的政治友好关系。技术背景第一是当时世界重水堆运行业绩很不错,还有新建项目——韩国当时正在建设第二台重水堆机组;第二是那时我们国家的离心分离功还没有完全建立起来,而重水堆是用天然铀作燃料,不像压水堆那样需要浓缩铀。资金背景是加拿大政府可以提供优惠货款。1994年11月,中加两国签署了《和平利用核能协议》。中方与加拿大原子能公司开始接触。1996年11月,中加双方签订了合作建设秦山三期重水堆的商务合同。2002年和2003年秦山三期重水堆两台机组相继建成投产。通过持续改进以及自主创新,两台机组功率分别提升了8兆瓦,运行业绩始终位于国际先进行列,2010年、2013年、2014年秦山三期2号机组WANO(世界核电运营者协会)综合指标三次排名世界第一。

  记:我们都知道,秦山三期重水堆在中国核电的发展中是个“独生子”。但投入商业运行之后不久,秦山三期即为之制定了重水堆发展的长期战略。当时是出于怎样的考虑?

  张:2007年10月,我国颁布了《核电中长期发展规划(2005~2020年)》,核电发展进入快车道。同时,规划中提出了“坚持核燃料闭式循环的技术路线”和“适度超前发展核燃料产业”的具体要求。这为重水堆的发展开拓了新思维。

  此时,相对于规模发展的压水堆,重水堆仅用于发电,已体现不出它的优势。只有综合利用,将重水堆的发展纳入核燃料循环体系中,才是重水堆真正的价值所在。正是按照这样的思路,重水堆通过同步渐进式的发展,不断挖掘自身的附加值,并不断取得创新成果。

  重水堆引进以后,我们才知道,除了发电以外,重水堆还有其他的许多用途,比如可以产生一些副产品——“氚、钴、铀、钍”。

  秦山三期围绕“氚、钴、铀、钍”,从我国核能、核燃料循环和核技术产业发展的需要出发,在“钴”的方面,先后自主创新实现了钴60同位素的批量生产,现在每年生产600万居里,可满足国内80%的需要,改变了国内钴源几乎全部依靠进口的局面;在“铀”的方面,开发了重水堆利用回收铀技术,目前攻克了关键一道技术难关,预计2016年年底可实现回收铀全堆应用;在“钍”的方面,开展了钍资源利用研究,2009年联合国内外生产和研究单位开展了相关可行性研究;在“氚”的方面,我们想将来可以生产氚同位素,为聚变堆发展提供核燃料。

  所以,根据我国“压水堆——快堆——聚变堆”三步走战略,我们制定了重水堆发展的近、中、远期目标,确立了重水堆不同阶段的发展定位。近期目标是,到2020年,重水堆直接利用回收铀,提高铀资源利用效率,提高后处理经济性;作为试验平台,开展钍资源核能利用研究。中期目标是,2020~2030年,重水堆进一步利用回收铀,实现钍资源核能利用,开辟新的核燃料来源;开展钍铀循环研究,减轻快堆发展的压力。远期目标是,2030年之后,重水堆利用压水堆运行所积累的回收铀发电;钍铀循环作为铀钚循环的备用手段;生产氚同位素为聚变堆发展提供核燃料。

  回收铀利用的新途径

  记:重水堆是如何走上回收铀利用这条科研之路的?

  张:重水堆必须要结合我们国内的实际情况才会有更广的发展空间。在国内压水堆作为主流技术路线的情况下,重水堆要跟压水堆进行配套发展,就要考虑如何发挥自身的回收铀利用价值。

  启动回收铀利用的研究,最初的一个考虑是公司的可持续发展。秦山三期重水堆是“独生子”。回收铀价格比天然铀便宜,利用回收铀可以给公司带来一定的经济效益。

  还有,我们国家已启动后处理的核燃料循环项目。后处理会产生94%的回收铀、1%钚和5%的高放废物。当时占94%的回收铀的有效再利用还没有充分考虑。后处理的经济性要体现,回收铀利用也是一个很大的市场,而重水堆利用回收铀可以将铀资源利用率提高20%以上。因而回收铀在燃料循环利用中有它突出的价值。而在核电发展国家中,我们国家是唯一的既有压水堆、重水堆,又有后处理的国家。在快堆闭式循环没有打通之前,推动重水堆利用回收铀,可以为核燃料闭式循环开辟一条新路。

  另外,我们瞄准的更是国家铀资源的可持续发展。目前我们国家通过三个渠道并进供应天然铀,但天然铀长期稳定供应是一个需要认真考虑的课题。重水堆实现利用回收铀,可以节省天然铀资源。重水堆两台机组每年可节省200吨天然铀,相当于省出一个中型铀矿的年产能。从天然铀资源储备上,重水堆也是作出了一定的贡献。

  从公司发展、产业政策、国家战略上,我们把回收铀利用这个技术路线走通了,对国家有利,对核能发展有利,对企业发展有利,所以,我们启动了回收铀利用研究项目。

  记:世界上没有回收铀利用的研发经验可循。对于中国的这支联合研究团队来讲,正在走一条前人没有走过的路,这一路走来经历了哪些重要节点?

  张:早在2006年、2007年我们就启动了回收铀利用调研工作。当时,国际上来讲,韩国正在进行回收铀直接利用研究。因为韩国不进行后处理,直接进行回收铀利用的放射性很高,成本也很高。进行调研后,我们觉得韩国的方案可实现性比较差。

  因此,后来我们提出了等效天然铀的概念。这是一个全新的、开创性的想法,国际上没有先例。这个概念的提出是个巧合,有些偶然性,但也是长期经验积累的一个结果。是在一次国际会议讨论的闲谈之中,这个火花就冒了出来。回收铀利用难就难在要保持堆芯的均匀性,所以我们想,能不能根据回收铀不同的丰度,掺不同的贫铀,等效成天然铀?就这样提出了等效天然铀利用的概念。

  2008年,秦山三核、中国核动力研究设计院、中核北方燃料元件有限公司与加拿大原子能公司签订了技术合作协议,四方共同推进回收铀应用项目。同时也确定了“两步走”战略,即先以等效天然铀方式利用回收铀,取得一定经验后逐步实现回收铀直接利用,这样的利用率会更高,经济效益也会更高。

  2009年上半年我们完成等效天然铀燃料以及入堆示范验证方案的设计论证,2010年国防科工局将这个项目列为核能开发科研项目,2010年3月回收铀示范验证棒束开始入堆考验,2011年3月全部考验棒束完成堆内考验并卸出堆芯;2012年2月完成回收铀示范验证棒束的水下检查工作;2012年年底回收铀应用示范验证试验完成,验证后完全等效。至此技术方案全部打通。

  记:你们最早的目标是2014年实现回收铀全堆应用,但现在这个时间点要推迟到2016年年底。当初是否想过会遇到这么多问题?

  张:当时确实没有想到会遇到这么多的难题。2012年底我们的技术路线打通之后,颁发许可证后,回收铀燃料元件生产线改造就可以进行了,当时预计2014年年底可实现全堆应用。国家核安全局在审评的时候,对放射性废液排放标准提出了更为严苛的要求,必须达到近零排放。

  2013年年初,我们开始了长达半年的国际、国内调研。回收铀生产线需要解决高盐放射性废液处置问题,其在国际上没有先例。我们先后调研了美国、法国的公司。美国公司表示,他们会尝试解决该难题,成套的装置可以卖给我们,但关键技术不能告诉我们,是个黑匣子。法国阿海珐公司也表示要做很多的实验,才能预估是否能解决这个问题。后来,我们调研了原子能院,他们也在跟踪国际上的废液处理方案。要有自己的知识产权,就要自己做。2014年6月,我们与原子能院签订了协议。用了一年多的时间,2015年6月热试试验完成,7月通过了审查。现在就等国家核安全局的批复许可证,回收铀生产线改造就可以开工了。而高盐放射性废液处理也填补了我国在这一领域的空白。在整个回收铀利用研究中,我们也产生了许多专利和新技术。后续我们还要更好地梳理这方面的成果。

  记:对于回收铀利用的成功,您有何体会和收获?

  张:回收铀项目取得成功,与各层面的领导和国家有关部门给予的支持是分不开的。回收铀项目开创了一条以市场为导向、企业为主体、中外合作的科研模式为特色的产研科研新路。项目能够取得成功,我觉得还有四个要素:一是定力,看准一个目标,咬定青山不放松;二是激情,长周期项目尤其需要持续的动力和激情;三是事业心,要将个人的职业前途与国家利益、企业利益结合起来,把它当成一个事业来做;四是团队合作的精神。

  先进燃料重水堆的新作为

  记:作为重水堆发展的重要一步,在回收铀利用领域突破的同时,中核集团与加大拿大坎杜能源公司联合进行了先进燃料重水堆(AFCR)的研发。先进燃料重水堆的研发及进展情况如何?

  张:AFCR基于加拿大开发的三代加强型坎杜6堆型(EC6),采用了更加灵活的燃料策略,并充分汲取福岛核事故后的经验,具有了更高的安全性,也具有更好的经济性,满足了三代核电技术要求。加拿大核管会对EC6已进行了三轮的安全审查,现在可以结合厂址进行设计了。

  AFCR的技术特点就是以压水堆乏燃料后处理产生的回收铀作为核燃料,后续还可以充分利用钍资源,过渡到钍堆。回收铀是资源再利用,而钍堆是新资源的利用,价值更大。这将是一个革命性的变化。

  作为新资源利用的钍堆,我们准备分两步走。第一步是在研究堆上进行芯块考验。在新建AFCR堆直接利用回收铀的同时,进行钍燃料元件考验,开发路线图与回收铀利用是类似的。第二步是在下一个新建机组上直接利用钍资源。

  先进燃料重水堆研究论证工作2011年12月就开始了。2012年3月,我们四方签署了《先进燃料重水堆开发合作协议》,合作开展先进燃料重水堆研究论证。

  去年11月,AFCR技术方案通过了由中国核能行业协会组织的审查。他们认为,AFCR能够满足最新安全要求和第三代核电技术要求;AFCR与中国现有的压水堆匹配,能够促进核燃料闭式循环和产业发展,符合我国核能发展的整体策略。

  记:AFCR国内外的发展情况如何?

  张:从原理上来讲,每4台百万千瓦级压水堆的乏燃料后处理产生的回收铀可供应一个百万千瓦级的重水堆。也就是4台压水堆,配1台重水堆。

  在国内,先进燃料重水堆必须有项目依托。我们希望能有一个厂址建设先进燃料重水堆,可以规划先上两台机组,直接利用回收铀。200吨后处理厂可处理8台压水堆乏燃料,后处理产生的钚可供2台快堆使用,回收铀可供3~4台先进燃料重水堆使用。先进燃料重水堆还是有很大的发展空间的。

  在国外市场开发上,中国与加拿大正在考虑组建合资公司,共同开发第三方市场。去年7月24日,中核集团与加拿大SNC兰万灵集团公司签署了合作谅解备忘录,将联合推进先进燃料重水堆研发与新建重水堆的全球推广。

  去年11月8日,在人民大会堂,两国总理的见证下,中核集团与坎杜能源公司签署了组建合资公司的框架协议。双方组建合资公司的事项一直在进行中。

  记:对于AFCR未来的发展有何考虑?

  张:现在中国也正在参与世界重水堆的建设。比如,中核集团与阿根廷签署了合作建设重水堆的协议。中国广核集团与罗马尼亚签署了建设重水堆的合作意向书。目前相关的工作正在推进中。还有一些有意向建设重水堆的国家,如土耳其、马来西亚、捷克等,中核集团也正在与他们进行积极的商谈。

  未来,我们还有一个最理想的方案,就是建一个燃料供应中心。我们可以建设先进燃料重水堆,也可以供应回收铀等原料。所以无论是国内市场,还是国际市场,在资源循环利用及新资源利用领域,AFCR都是有机会的,发展空间也是很大的。(王晨香 李桃)

来源:中国核工业杂志  2015年第9期
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