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“普贤” 堆利用MOX燃料的实绩与成果

【世界核新闻机构1月17日报道】根据日本核电公司联盟提出的建议,2006财年将在日本核燃料公司的六个所后处理厂开始从乏燃料中回收共计约1.6吨的钚。

据《日本经济新闻》6月10日报道称,美国政府于9日向日本方面提出,要求日本减少核材料钚的保有量。钚可以从核电站乏燃料中分离出来,之后可以作为核武器的原料。美方认为,为了保持核不扩散机制,日本应当限制钚保有量,而这势必将对日本长期以来坚持进行钚分离的核能政策造成严重影响。

【日本《原子能视野》2002年12月刊报道】 日本能源资源贫乏,为了有效利用铀资源,日本确立了回收利用可称为准国产能源的钚的核燃料循环基本路线。该基本政策是原子能委员会在1966年5月通过的《动力堆开发基本方针》中提出的。 1967年10月,随着动力堆核燃料开发事业团(核燃料循环开发机构的前身)的成立,日本就把能够方便地利用钚燃料的先进热中子反应堆作为国家自主开发项目,正式开始研究。这也是具体实施该政策的开始。 先进热中子反应堆原型堆“普贤”堆自从1978年3月装上22根MOX燃料棒并达到首次临界约24年以来,已经装载了748根MOX燃料,并安全稳定地发电。如果按单堆来衡量,“普贤”堆是世界上利用MOX燃料成绩最突出的。可以说,“普贤”堆是真正实现利用钚作为燃料的先驱。 另外,日本对国内轻水堆乏燃料进行后处理,对回收提取的钚、铀进行重新利用,同样,把从“普贤”堆辐照过MOX燃料中回收的钚重新用于“普贤”堆核燃料循环过程。动力堆核燃料开发事业团不仅首先验证了核燃料循环,而且该和平利用钚的成果对国内外加深理解钚的和平利用具有重要意义。 “普贤”堆对钚的真正利用,以及支持此项利用的MOX燃料开发与制造技术、后处理技术等核燃料循环技术,共同作为综合性钚利用技术得到发展。通过“钚循环技术”积累的经验和知识,“普贤”堆在钚利用方面处于本国领先地位,并可应用于轻水堆的“热钚利用”及快中子增殖堆。 下面介绍一下“普贤”堆的MOX燃料利用成果。 1.设备概要“普贤”堆是重水慢化沸水冷却压力管型核电机组,电功率为165 MW。其功率虽然是日本现役核电机组中最小的,但它却是唯一用MOX燃料发电的核电机组。它采用重水作为中子慢化剂,堆芯构造与轻水堆不大相同。但用堆芯产生的蒸汽直接推动汽轮机发电的方式却是相同的。 慢化材料重水注入直径为8 m的排管式堆容器,在容器中设置224根直径为12 cm的压力管。燃料组件一根根地装在压力管内,冷却剂轻水在管内流动。压力管的外侧还设有一个双层结构的排管式堆容器内管,这种结构将慢化剂重水和冷却剂轻水完全分离开来。由于从燃料一侧往重水一侧传热比较困难以及为了方便检测冷却剂是否泄漏,在压力管与排管式堆容器内管的空隙间注入流动的二氧化碳。重水被冷却到一定的温度(反应堆入口温度为49℃)在堆芯循环流动。另外,在重水中加入硼酸,以控制整个堆芯的核裂变程度。采用氦气作为重水的保护气体。控制棒总共有49根,由反应堆上部通过排管式堆容器内设的导向管插入重水中。 反应堆冷却系统中共有压力管燃料通道224个,分别由两个独立的具有112个通道的反应堆冷却回路构成。冷却水由各回路下部的集管、通过各个通道及入口管到达堆芯。冷却水在堆芯形成热水和蒸汽,经过上升管进入汽鼓。在汽鼓中,热水和蒸汽被分离,蒸汽直接进入汽轮机、热水与给水一同经过4根下降管通过再循环泵返回下部集管、继续循环。 1.1 燃料组件的构造及规格 燃料组件是插入压力管的圆筒状结构、由28根燃料棒构成。使用的燃料除MOX燃料外,还有浓缩铀燃料。“普贤”堆运行初期,使用的是易裂变材料含量较低(组件平均含量仅为1.4%~1.5%)的燃料,但从核燃料循环的经济性角度考虑,后来改用易裂变材料含量为1.9%~2.0%的燃料。另外,对36根燃料棒构成的试验用MOX燃料进行照射,以开发先进型热中子试验堆用的燃料。该试验用MOX燃料组件平均易裂变材料含量为2.4%~3.5%,与“普贤”堆的标准燃料相比钚的富集度较高,燃耗也高。 1.2“普贤”堆的堆芯特征 由于核裂变产生的中子主要在重水中充分地慢化到热中子能量区,而且对钚的共振吸收影响相对较小,所以易裂变钚与易裂变铀的核性能几乎等效。因此,从乏燃料中提取的钚的同位素组成即使不同,易裂变钚与易裂变铀的总量会有一定差别,也会得到大致相同的燃耗。另外,燃料组件间的独立性较高,即使铀燃料与MOX燃料混合,MOX燃料的热中子吸收效应造成的能谱硬化也很难影响到邻近的铀燃料。此外,由于控制棒插入富含热中子的重水中,因此它还具有装载MOX燃料对控制棒价值影响小的特征,所以不会发生变更堆芯设计的情况,MOX燃料可以装满堆芯。 2. 钚燃料利用实绩 “普贤”核电机组正式投入运行约23年以来,平均设备利用率约为62%。“普贤”堆燃料循环周期大约6个月,换料计划停堆约1个月,约3个月进行定期检查一次,其62%的平均设备利用率,与同时代的轻水堆相比一点都不逊色。 自1978年3月,完成22根MOX燃料初装料并达到首次临界以来,“普贤”堆已装载了748根MOX燃料(含金属重量约为1800 kg的钚)和683根铀燃料。其间,1根铀燃料曾发生过泄漏,但MOX燃料从未发生过泄漏。“普贤”堆芯本可以装满MOX燃料,但根据不同的供需状况,灵活地调整了MOX燃料的装载比例。MOX燃料的装载比例在34%~72%之间。所以,可以说“普贤”是灵活性很强、容易操作的反应堆。各循环中钚的核裂变比几乎都依赖MOX燃料的装载比,但从到目前为止的业绩来看,钚的核裂变比最多占到70%。 MOX燃料堆芯的配置如下。运行开始时,以验证钚堆芯的特性为目的在堆芯中央配置96根MOX燃料,后来又变换MOX燃料的装载位置。验证结果表明,能够操作MOX燃料和铀燃料。 “普贤”堆所用标准MOX燃料组件最高燃耗平均值约为20000 MWd/t,只是近年来轻水堆所用铀燃料燃耗的一半,但是,作为开发先进热中子试验堆用燃料的一个环节、在“普贤”堆中照射过的试验用MOX燃料的燃耗曾达到了约38000 MWd/t 。目前,正在对该种燃料进行照射后试验,其结果将被应用于钚热堆。 2.2“普贤”的核燃料循环业绩 “普贤”堆所用的MOX燃料中的钚最初是从国外进口的,1981年9月以后,所装的MOX燃料中的钚是日本东海事业所后处理工厂回收来自国内轻水堆乏燃料得到的。另外,1982年12月以后所用的铀燃料则是人形峠事业所浓缩的国产浓缩铀。此外,1984年5月,“普贤”堆装上了以东海事业所后处理工厂回收的国内轻水堆乏燃料得到的铀为母材的4件MOX燃料,此后,回收而来的铀就被用来制造MOX燃料。 1988年6月,“普贤”堆的辐照后的MOX燃料在东海事业所进行后处理,回收的钚被加工成4件MOX燃料,再一次用于“普贤”堆,从而完成了一个核燃料整循环。就这样,“普贤”堆就以全尺寸规模先行对核燃料循环做了具体验证。 日本利用核燃料循环开发机构的设施进行MOX燃料的开发、设计、制造、照射、照射后试验、性能验证等一系列的研究及技术开发,验证MOX燃料的安全性并积累技术经验。“普贤”堆使用的MOX燃料全部是东海事业所的钚燃料制造设施生产的,该设施已经提前为“普贤”堆制造了可供“普贤”堆退役之前所需的MOX燃料,共制造了“普贤”堆用MOX燃料773件。在一系列的开发与制造的过程中所积累掌握的技术将被应用到供轻水堆用的MOX燃料的制造中去。 1981年9月以后“普贤”堆所装的MOX燃料中用的钚来自于核燃料循环开发机构的东海事业所后处理厂。该后处理厂自从1977年9月开始运营以来,到2002年6月12日为止共处理了1000 t(燃料组件数为4729件)乏燃料。“普贤”堆后处理乏燃料约为70 t,其中处理MOX燃料10 t左右,并验证了其溶解性以及证实同样能够处理轻水堆燃料的特性。 自东海事业所的后处理工厂运营以来,回收的钚被用于“常阳”、“文殊”“普贤”等反应堆。回收的钚的大约1/4被制成MOX燃料在“普贤”堆上利用。“普贤”堆的运行,也就是与钚利用及后处理设施相关的技术经验的积累,通过它掌握了大量的后处理技术、临界安全管理技术以及保障系统技术。 后记 目前,以法国和德国等为首的欧洲诸国正在推行用轻水堆再回收利用钚、即钚热利用。到2000年12月为止,全世界轻水堆其装入MOX燃料3173件。其中法国1454件、德国1044件、比利时247件、瑞士236件,“普贤”到现在为止利用MOX燃料748件,占世界轻水堆MOX装料总比率的1/5,创造了单机MOX燃料利用世界记录。可以说“普贤”是日本钚利用的先驱,它为加深国内外对钚和平利用的理解做出了巨大贡献。 另外,“普贤”堆约24年的钚利用业绩可以说是使钚燃料开发与制造技术、后处理技术等核燃料循环基础技术成为支持钚利用的原动力,这也是“普贤”堆多年来取得的巨大成果。

日本原子论坛说将在六个所后处理厂回收钚,目的是利用钚制造MOX燃料,2012年用于日本的核电厂。称为J-MOX的MOX燃料制造厂正在由JNFL建造,地点也在六个所,该厂计划也在那时开始运行。

钚是序号为94的重金属元素,其在核反应上的主要有效成分是同位素钚239。人类历史上最后一枚用于实战的核武器:在日本长崎爆炸的“胖子”采用6.4公斤的武器级钚作为核装药。作为核原料利用的钚主要是用过反应堆生产,或者是从以铀为原料的核电站产生的“尾料”——乏燃料中提取,其原理都是铀238在反应堆中转化为钚239。

JNFL上周向政府提出用真正的乏燃料在六个所后处理厂进行活性测试,以评价对化学和放射性释放物的管理、分离裂变材料的能力、铀和钚的分配量,以及液体废物和固体废物的处理。测试使用的乏燃料包括约210吨压水堆乏燃料和约220吨沸水堆乏燃料。

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FEPC希望2010年在16~18个日本核电机组中使用MOX燃料,目前的计划是10个机组。在MOX计划的第一阶段,核电机组使用的MOX燃料是用从法国高杰马运回的日本钚制造的;从2012年开始,将逐步使用J-MOX厂的燃料。

实战中使用的最后一颗核弹“胖子”,据说其命名源自丘吉尔

钚的回收计划还有待日本原子能委员会的批准。

作为核武器原料的一种,钚受到核不扩散机制所管控,原则上非核武器拥有国禁止生产钚。而美国以日本资源贫乏为理由,在《日美核能协定》允许日本从核电站产生的乏燃料中进行钚分离。日本将分离出来的钚作为混合氧化物核燃料的原料进行再利用。2011年发生严重核事故的福岛第一核电站,其3号机组就使用MOX燃料进行发电。日本除了依靠自身的乏燃料后处理厂进行钚分离活动以外,也委托英国和法国的后处理厂进行钚分离。

然而,使用MOX进行发电的成本相当高昂。核不扩散机制也要求和平利用的钚应当尽量减少库存。对于日本持有大量钚一事,《日本经济新闻》的解释是由于2011年的福岛核事故之后,日本一度停运了所有的核电站,后来的再启用也进行的不顺利,因此MOX燃料的消耗量较之2011年以前大幅降低。

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储存在水池中的乏燃料,经过多年的水池储存后,乏燃料才可以进行后处理,用于钚分离

实际上持有大量钚是日本核能的“常态”。从21世纪初日本钚存量就已经达到40吨,除10年代初一度有所下降以外,始终保持着上升趋势。《日本经济新闻》在报道称:目前日本已经积累的47炖钚足以制造6000枚核弹。

不过这样的说法存在相当大的问题:首先这些分离钚中的钚239并没有达到武器级浓度,其次这些钚也不完全储存在日本国内,有大部分存放在海外,尤其是进行后处理的法国和英国。云顶集团登录,但日本国内储存的10吨左右的分离钚依然相当可观。

《日本经济新闻》报道称,保存如此巨量的钚引发了日本邻国的担忧,而美国和国际社会由于在核不扩散问题上的强硬立场,很难对日本特别网开一面。因此,美国国家安全会议要求日本政府对钚采取适当的利用和管理措施,包括设置钚保有量的上限,公布削减钚保有量的措施,配合《日美核能协定》的自动延期发布相关的日美共同文件等等。

4008com云顶集团,《日本经济新闻》认为,负责管理钚的日本核能委员会可能应美国的要求,在6月内确定减少钚保有量的措施。日本方面很有可能会停止位于青森县的钚分离工厂的运转,并正在协调争取6月下旬向国际原子能机构汇报确定的保有量上限。

而为了减少现有的钚存量,就要通过核电站消耗MOX燃料。为此日本政府也向大型电力公司组成的“电气事业联合会”寻求帮助,要求利用四国电力的伊方核电站和九州电力的玄海核电站,消耗东京电力和中部电力所持有的钚。使用铀燃料的核反应堆和使用MOX燃料的核反应堆在结构上有所不同,而在福岛第一核电站3号机废弃之后,东京电力属下已经没有可以使用MOX燃料的反应堆,而中部电力所属使用MOX燃料的滨冈核电站3号机也迟迟未能重启。

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玄海核电站,其3号机组采用MOX原料

以往日本的核电企业都是消耗自己生产的钚,从其他企业接受钚可能会造成一定的抵触,由此而来的钚运输问题也可能引发民众的抵触情绪。然而,最大的问题可能还是日本核电站重启进度的停滞不前。目前处于自动延长期的《日美核能协定》可以由任意一方宣布终止并在6个月后生效。《日本经济新闻》推测,如果日本的钚保有量长期维持在高位状态,美国可能会宣布停止《日美核能协定》,不再支持日本的钚分离活动,这也将使得日本现行核能政策发生动摇。

然而,在钚分离劳民伤财,MOX燃料发电又并不经济的情况下,日本为何长期坚持钚分离活动并保持可观的钚存量呢?这倒是个很难回答的问题。

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