原创《回收铀利用现状》
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刘伟
（中核北方核燃料元件有限公司,内蒙古包头014035）
摘 要 乏燃料后处理回收的铀约占燃料金属重量的95%,回收铀的再利用,可以有效节约天然铀资源,减少大量乏燃料处置费用,降低浓缩分离功的消耗.论文通过综述国内外回收铀加工应用现状,对国内回收铀使用提出了相应建议.
关键词 回收铀；乏燃料；铀资源
作者简介 刘伟（1983-）,男,内蒙古包头人,工程师,从事核燃料研发管理研究.
1 引言
回收铀也称堆后铀,是指从核电站卸出的乏燃料经过一系列的转化和分离后得到的铀[1].乏燃料后处理回收的铀约占燃料金属质量的95%,其U-235 的丰度为0.8耀1.3wt%之间.从资源的角度看,回收铀的利用可以有效节约天然铀资源,减少大量乏燃料处置费用,降低浓缩分离功的成本.国际上许多国家开展了回收铀加工和循环利用,回收铀作为重要的铀资源补充方式,其开发利用具有广泛的前景.
2 回收铀国内外应用情况
2.1 国外使用情况
英国
英国回收铀主要来自Magnox 反应堆的金属燃料.从1960 年Magnox 反应堆运行以来,其所有的乏燃料都进行了后处理,其中约有1600t 铀再浓缩用于制造AGR 燃料.到90 年代中期,约60%的AGR 燃料是由Magnox 反应堆乏燃料回收铀制成的.
法国
法国电力公司（EDF）早在上世纪80 年代初就研究了在压水堆中使用回收铀的可行性.从1997 年开始,EDF 在Cruas-3 和Cruas-4 堆大批量使用RU 燃料,两个机组都获得了全堆芯装载回收铀的批准.自1997 年以来,其回收铀的年使用量大约为150耀400 吨.到2003 年底,法国约获得9600 吨源自法国压水堆乏燃料的回收铀,其中2900 吨已在法国压水堆核电厂中使用,剩余6700 吨回收铀被转化成稳定形式以待未来使用.
德国
德国于上世纪70 年代早期就开始回收铀循环利用尝试.1971—1972 年,含有回收铀的34 组MOX 燃料组件被装入15MWe 的沸水堆.从1982 年开始,采用回收铀制造的燃料组件在340MWe 的奥布利希海姆反应堆、810MWe 的GKN-1 压水堆上进行辐照考验,用以验证其可行性.到2003 年底,德国共获得5078 吨源自德国商用轻水堆乏燃料的回收铀,其中2696 吨已在德国轻水堆机组中使用,剩余的回收铀被转化为稳定形式以待未来使用.
日本
日本具有大量的回收铀管理经验,如回收铀与低浓铀掺混、回收铀与钚制成MOX 元件、回收铀直接再浓缩等.针对回收铀的浓缩,日本PNC 原型离心厂1989 年开始运行,该厂与关西电力公司（KANSAI）和电力公司（TEPCO）共同实施了回收铀再浓缩测试论证,论证期间共有40 吨回收铀通过再浓缩制成燃料装入大饭（Ohi）压水堆和福岛第一核电厂沸水堆中进行了测试,取得了预期结果.
俄罗斯
俄罗斯拥有工业规模的回收铀燃料加工经验,其加工回收铀的设施主要有两处,分别位于谢韦尔斯克的西伯利亚化学企业（SCC）和埃列克特罗斯塔尔的OAO MSZ 公司.上世纪90 年代初,SCC 公司为AREVA NC 公司进行了回收铀的再浓缩,并开展回收铀净化研究,降低了回收铀产品中U-232 含量.OAO 公司拥有专用的回收铀燃料元件生产线,曾经采用来自英国Thorp 厂的回收铀进行422 吨燃料元件制造生产.
2.2 国内使用情况
国内回收铀应用主要是在重水堆上利用压水堆回收铀方面进行示范验证和探索研究.2011 年,中核北方核燃料元件有限公司利用压水堆回收铀与贫铀掺混制得等效天然铀燃料棒束并进入秦山第三核电有限公司1 号机组进行辐照.根据运行期间的堆芯检测、出堆后的水下检查以及热室检查结果,该型燃料核特性以及辐照性能方面和天然铀相当,适用于作为国内重水堆的替换燃料[2].
3 回收铀利用的意义
3.1 回收铀利用可有效提高资源利用率
采用乏燃料一次通过的方式,铀资源利用不足1%,造成大量铀资源的闲置和浪费.有资料显示,如果将回收铀与堆后钚制成MOX 元件,通过快堆增殖,反复循环使用,铀资源利用率理论上可达60%~70%.如果仅考虑回收铀的单独回收利用,通过回收铀再浓缩、与低浓铀掺混应用于压水堆或直接应用于重水堆,可以节约10%~20%天然铀资源.同时,由于压水堆回收铀U-235 富集度0.8~1.3wt%,高于天然铀（0.71wt%）,可以节约大量分离功,省去天然铀利用的采矿、水冶等工序,提高了资源利用率.
3.2 回收铀利用可减少放射性废物的处置量
废物最小化是核能可持续发展的基本原则.燃料组件中仅有约1%的U-235 同位素在热中子的作用下发生裂变反应,这意味着燃料组件中99%的能量未被利用而变为乏燃料.乏燃料如果不及时进行处理和回收使用,势必需要建设核废料处置场,这意味着高额的建设、运行和管理费用（美国的尤卡山项目预算962 亿美元）.通过乏燃料后处理进行回收铀的利用,可以有效减少放射性废物的处置量.
3.3 回收铀对于天然铀国际市场具有调节作用
回收铀作为铀资源供应的一种补充方式,为核电发展国家提供了另外一种选择,对于抵御国际天然铀市场波动具有一定作用.例如在2003 年到2007 年底不到5 年时间,天然铀涨了10 倍以上,对于和我国核电规模发展类似的国家,核燃料供应和铀资源保障尤为重要.加强回收铀的利用,对于降低天然铀波动,保障铀资源稳定供应具有重要意义.
4 回收铀应用面临的主要问题
经过近四十年的发展,全球众多国家在回收铀加工利用方面已经积累了较为丰富的经验.回收铀的加工制造与天然铀相比差异性较小,技术性和安全性方面没有明显差别[3],回收铀几乎可以完全采用天然铀加工工艺及设备进行加工,只是需要一条专门的加工生产线作必要的辐射防护.
回收铀加工及产业化应用已经具有较为坚实的基础,而且产业规模也已形成.但是,回收铀的开发利用仍面临以下问题和挑战：淤回收铀加工成本和加工成燃料前的贮存管理成本略高,回收铀的应用并非基于市场驱动,主要是政府间的后处理协议.尤其是近期天然铀的持续低迷,如何推动略高的回收铀的使用,是需要思考的问题；于按照当前全球核电装机规模,每年将产生约1 万吨HM 乏燃料,回收铀的获取源于乏燃料的后处理,但目前全球回收铀循环设施布局及能力还未完全适应潜在需求；盂尽管国际标准化组织（ISO）和美国材料与试验协会（ASTM）也对回收铀和浓缩回收铀的可接受核素水平进行了规定,但由于后处理工艺不同,以及反应堆运行工况的实际差异,会造成回收铀的组分变化,因此需要建立回收铀加工和应用的标准体系.
5 结语
综上所述,主要核电国家在回收铀转化、再浓缩、元件制造等方面已经拥有相应能力,回收铀使用过程中的除杂和辐射防护问题已经解决,回收铀堆内辐照性能已经得到验证,若干的工艺标准体系已经建立.随着全球核电持续发展,铀资源需求不断增加,伴随回收铀加工、应用新技术的不断进步,回收铀的开发利用前景广泛.
我国核电主要是以压水堆为主,将来大量压水堆的乏燃料通过后处理以后,势必将产生大量的回收钚和回收铀.回收钚可以与铀混合制成MOX 燃料重新装入压水堆使用或者放入快堆增殖,届时将面临大量的回收铀开发利用问题,因此,当前国内应加大回收铀开发应用力度,重点研究,科学规划,完善相关体制机制和法规标准,为将来我国大量的回收铀寻找一条经济高效的利用之路.
利用论文参考资料：
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