mox燃料研究在中國的進展

mox燃料研究在中國的進展

1mox燃料生產(chǎn)快速沉積是實現(xiàn)核電廠附加值、提高原油資源利用率和減少長壽核素的最重要途徑。20世紀60年代,比利時、法國、美國、意大利、德國、日本和印度等國紛紛建立钚實驗室,開發(fā)供增殖快堆使用的MOX燃料。1970—1985年國際上形成了快堆MOX燃料的研究高潮。截至80年代末,大多數(shù)建成的快中子堆(包括實驗、原型和驗證堆)都成功地使用了MOX燃料。目前,全世界有20多個快中子堆裝載了MOX燃料,最高燃耗已達到13%裂變消耗的原子分數(shù),即相當于120GWd/kgM),積累了300堆·年的快堆運行經(jīng)驗。當前法國、俄羅斯、日本和印度的快堆仍在運行之中。國際上共建造了24座MOX燃料廠,其中LWR-MOX燃料廠和FBR-MOX燃料廠各占一半。截至2004年,全世界累計生產(chǎn)了1840t重金屬(HM)。目前MOX燃料的生產(chǎn)能力己達213t/a。美國早期曾建造了5個小規(guī)模的MOX燃料廠,生產(chǎn)總量為50~70t/a。但運行至1976年時,由于后處理廠被美國政府無限期關閉并最終被拆除,MOX燃料生產(chǎn)也被迫停止下來。目前,美國雖然選擇核廢物直接永久處置的“一次通過”循環(huán),但其乏燃料累計已達5萬多噸,每年產(chǎn)生乏燃料2000t,尤卡山乏燃料填埋場將很快被塞滿,面臨再花巨額資金建設一個新的填埋場的壓力。進入21世紀后,美國對乏燃料采取“一次通過”的政策受到挑戰(zhàn),意識到要大規(guī)模發(fā)展核電和降低核燃料成本,必須提高鈾資源利用率和減少核廢物產(chǎn)生率。2006年美國啟動了“全球核能合作伙伴計劃”(GNEP),并計劃建立統(tǒng)一的核燃料處理中心(CFTC)和建造一座600MW先進鈉冷快堆(ABR),用于焚燒和嬗變含有钚和其他次錒系元素的新型MOX燃料。1962年,法國CFCa燃料工廠開始小規(guī)模研制快堆MOX燃料,先后建造了兩條FBR-MOX燃料研制生產(chǎn)線。80年代中,法國電力公司(EDF)決定將MOX燃料應用于壓水堆中,以消耗因發(fā)展快堆MOX燃料而貯存的大量钚,于是將其中一條FBR-MOX燃料生產(chǎn)線改造成PWR-MOX燃料生產(chǎn)線,并于1990年投產(chǎn)。2004年,法國MOX乏燃料后處理廠投入運行,已回收了10tMOX乏燃料,并克服了完全溶解PuO2技術難題。目前法國正在考慮發(fā)展第四代快堆設計的后處理方案,預計于2020年建成符合第四代核電站指標的原型快堆。20世紀70年代,俄羅斯建成了3個FBR-MOX燃料制造廠。目前俄羅斯已決定在商業(yè)快堆中循環(huán)利用钚,并計劃再建3座類似的商業(yè)快堆。1972年,日本建造了含有兩條MOX燃料生產(chǎn)線的PFFF工廠,其中一條是生產(chǎn)先進熱堆ATR-MOX燃料,另一條是生產(chǎn)FBR-MOX燃料,1988年,日本又建成了一條全自動化的PFPF燃料工廠,其MOX燃料生產(chǎn)能力足以供應Joyo和Monju兩個快堆。日本確認快堆是能源戰(zhàn)略的重要內容,在建成一座實驗快堆和一座原型快堆的基礎上,目前正在加快商用快堆和MOX燃料的研發(fā)。印度于1985年建成了實驗快堆(FBTR)。2002年決定建造一座500MW原型快堆(PFBR),計劃2010年建成。為此,印度提前幾年就開始建造一座100t/a的快堆MOX燃料工廠。該工廠可為計劃2020年前即將建造運行的5座快堆電站提供MOX燃料。2推動我國快堆發(fā)展的“三步走”戰(zhàn)略MOX燃料廠是位于后處理廠和核電站之間的重要中間環(huán)節(jié),開展MOX燃料研究是實施核燃料閉式循環(huán)戰(zhàn)略的必然要求。鈾是不可再生的有限寶貴資源,而核能長期發(fā)展對鈾資源提出了巨大和持續(xù)的需求。我國已探明鈾儲量與核電發(fā)展對鈾資源的需求存在較大差距,如果我國只發(fā)展UO2燃料,鈾資源的供應緊張將成為我國核電可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素之一,發(fā)展MOX燃料有利于提高鈾資源利用率。Pu是制造核武器的主要原料,庫存Pu的累積增加加大了核擴散風險,發(fā)展MOX燃料有利于保護環(huán)境和防止核擴散。國際上熱堆的鈾資源利用率只有1%左右,而通過快堆及其燃料循環(huán)可以將鈾資源利用率提高60~70倍;快堆具有獨特的燃料增殖和核廢物嬗變功能。開展MOX燃料研究有利于推動我國快堆發(fā)展。我國核電發(fā)展遵循“近期發(fā)展壓水堆、中期發(fā)展快堆、遠期發(fā)展聚變堆”三步走的技術路線。由于鈾資源的限制,我國今后要大規(guī)模發(fā)展核能,必須依靠壓水堆和快堆匹配發(fā)展的核燃料閉式循環(huán)路線。專家預計2020—2030年左右MOX燃料在我國PWR核電站商用是有可能的,但目前中國實驗快堆(CEFR)對MOX燃料的需求更為急迫。最近,我國正在抓緊制定實驗快堆→示范快堆→商用快堆的“三步走”戰(zhàn)略發(fā)展路線。計劃2010年建成一座電功率為20MW的中國實驗快堆,CEFR是按MOX燃料設計的,需要MOX燃料芯塊500kg/a。但由于目前沒有國產(chǎn)MOX燃料,也幾乎不可能從國外進口MOX燃料,CEFR首爐及以后兩爐燃料不得不暫時用從俄羅斯進口的富集度為64.4%的高濃UO2燃料。從快堆發(fā)展角度來看,不應長期使用高富集度UO2燃料,而應裝載MOX燃料,才能發(fā)揮其獨特的燃料增殖作用。因此,預計2010年后CEFR必須裝載部分FBR-MOX燃料進行換料運行試驗;國產(chǎn)MOX燃料也必須借助CEFR這個研究平臺,才能完成一定燃耗深度的輻照考驗。我國還計劃2020年建成一座電功率800~900MW的中國示范快堆電站。示范快堆也是按MOX燃料設計的,每座示范快堆電站的換料量約為10t/a。3快速堆棧條件下的mox燃料制造技術的特點和困難3.1燃料棒的設計快堆MOX燃料的特殊性在于其材料要承受遠高于熱中子堆的負荷,突出表現(xiàn)在快中子堆的中子注量率高約30倍,快中子注量率高約50倍,燃耗深度高2~3倍,比功率高3~5倍,功率密度高5倍多,包殼工作溫度比壓水堆UO2燃料高約300℃。而與PWR-MOX燃料相比,FBR-MOX燃料具有以下特點:(1)PuO2含量高達25%,具有高能量中子譜(PWR-MOX燃料中PuO2含量一般為5%);(2)低密度實心圓柱體燃料芯塊(≤90%TD),或高密度(95%TD)中空環(huán)形圓柱體燃料芯塊,以降低燃料中心溫度和減輕芯塊-包殼相互作用,抑制高燃耗下燃料腫脹而導致燃料棒外徑增大;(3)采用軸向轉換區(qū)貧UO2芯塊,以實現(xiàn)钚的增殖;(4)燃料棒設計了與活性高度相當?shù)臍馇?0.4~1m),以容納更多的在高燃耗和高溫下產(chǎn)生的裂變氣體;(5)為了保證燃料中心溫度低于熔點和更高的能量密度,燃料棒必須設計得很細,燃料芯塊外徑為?5~7mm,可設計內徑為?1.6mm的中心孔;芯塊表面不需加工和干燥(PWR-MOX燃料芯塊為實心圓柱體,外徑為?8.43mm,需研磨加工,并在350℃以上溫度進行真空干燥,以防止包殼產(chǎn)生氫脆);(6)燃料棒束以三角形柵元緊密排列在不銹鋼制的六角形組件盒內,以盡量減小冷卻劑的慢化作用;棒表面螺旋繞制的繞絲提供了間隙約為1mm的鈉冷卻劑通道(PWR-MOX燃料棒以格柵定位,表面無螺旋繞絲,棒間隙較大);(7)采用316Ti奧氏體鋼作為包殼結構材料,與芯塊和鈉在高溫下具有良好的相容性,包殼外徑6~8mm、厚度0.4mm(PWR-MOX燃料為鋯合金包殼,尺寸稍大)。3.2mox燃料的制備MOX燃料是一種新型燃料。MOX燃料組件制造技術的主要研究內容包括:MOX燃料元件和組件設計、MOX燃料堆芯設計和安全評估分析、MOX燃料組件制造廠房設計施工、專用工藝設備研制、專用手套箱研制、MOX燃料組件制造工藝(見圖1)和性能檢測、堆外性能檢驗、堆內輻照考驗和輻照后檢驗等一系列不同于傳統(tǒng)UO2燃料的科研開發(fā)工作。MOX燃料是含有劇毒、強放射性钚的燃料,它發(fā)射γ射線和中子。燒結的MOX芯塊如果長期放置空氣中,由于α粒子的反沖作用,表面會產(chǎn)生含钚微粒和氣溶膠,存在被人體吸入的危險。因此,從安全防護考慮,要求MOX燃料芯塊、單棒和組件的制造過程全部在帶屏蔽的厚重密封手套箱或熱室內進行,有些制造工藝和性能檢測必須實現(xiàn)自動化或遠距離操作,這給MOX燃料組件制造廠房設計施工、工藝設備研制和維修、工藝操作、燃料運送、堆內外性能檢測、堆內輻照考驗和輻照后檢驗帶來很多困難。在UO2燃料制造廠較簡單的操作,在MOX燃料制造廠卻變得異常復雜,設備去污和維修特別困難,代價非常高,使研制難度增大,研制周期延長,制造成本提高。MOX燃料生產(chǎn)對輻射屏蔽防護和設備可靠性提出了非常嚴格的要求。在MOX燃料芯塊和單棒的制造過程中,由于存在操作人員接觸強放射性钚料、吸入钚粉塵的風險,以及專用裝置被玷污后難清洗,部件損壞后難維修。因此,從MOX粉末到芯塊、單棒均是污染最嚴重的工序,芯塊和單棒制造工藝設備和相關工藝是MOX燃料的關鍵技術。對廠房建筑設計、室內設施布局設計,設備的可靠性、操作方便性、可維修性,以及工人的輻射劑量監(jiān)控和屏蔽防護都提出了非常嚴格的要求。MOX燃料組件設計對制造工藝也提出了很高的技術要求。與UO2燃料相比,MOX燃料是UO2和PuO2的混合氧化物,而Pu具有不同于U的中子物理特性,要求U和Pu的同位素在MOX燃料芯塊中分布非常均勻。而且,同位素分布不均勻的MOX乏燃料在后處理過程中,要使硝酸溶解率達到99%有較大難度。這些都對MOX粉末混合工藝技術和芯塊同位素分布均勻性檢測技術提出了新的挑戰(zhàn)。CEFR-MOX燃料的PuO2含量為25%~30%左右,混合技術難度小于PWR-MOX燃料,可以采用簡單的一次性直接混合工藝,但其放射性和臨界安全問題更突出;芯塊中心孔內徑僅為1.6mm,自動成型壓制時模具芯桿易斷裂;燃料棒包殼細小(?外約6mm,厚度0.4mm),芯塊裝管易污染,燃料運行工況極嚴,這些使得不銹鋼包殼制造技術復雜,難度增大。MOX燃料粉末制備工藝可分為機械混合法(俗稱干法)和化學共沉淀法(俗稱濕法)。濕法可獲得較好的產(chǎn)品均勻度,并形成固溶體粉末,被德國、日本、俄羅斯等國致力開發(fā)并用于LWR-MOX燃料的試制生產(chǎn),但因產(chǎn)生較多廢液而難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。機械混合法最早被用于制造PuO2含量較高、均勻混合較易的FBR-MOX燃料,后來經(jīng)過改進,形成兩步混合法即微細化主混合(MIMAS)工藝,又用于生產(chǎn)PuO2含量較低、均勻混合難度大的LWR-MOX燃料。其工藝比較成熟,已達到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模。為了獲得MOX燃料中钚同位素和晶粒組織雙重的均勻度,以避免使用中產(chǎn)生局部功率峰,同時為了提高MOX乏燃料在后處理時的硝酸溶解度,許多國家相繼研究了如何提高機械混合法MOX粉末的鈾钚分布均勻度。制備钚分布均勻的LWR-MOX燃料的技術經(jīng)驗很值得快堆MOX燃料借鑒。例如,比利時、法國創(chuàng)造了兩步混合的微細化主混合(MIMAS)工藝,取代了原來一步混合的COCA工藝;德國發(fā)明了優(yōu)化共磨(OCOM)工藝。為了減小富钚顆粒尺寸,并盡量縮短制造流程以利于操作者的劑量防護,降低成本,英國研制成功了簡短無黏結劑(SBR)工藝。俄羅斯則發(fā)明了ABC-150高效磁力混合機,只需混合幾分鐘就可以獲得非常均勻的MOX燃料粉末。日本則重點研究(U、Pu)硝酸溶液的微波加熱脫硝工藝,快速制備出MOX固溶體粉末。德國獨創(chuàng)了三碳酸鈾钚酰銨共沉淀(AUPuC)法,制備出均勻、高活性的MOX固溶體粉末。印度仍然使用常規(guī)的機械混合法。原則上,上述方法都可以制造出滿足設計技術要求的LWR-MOX燃料,但一般認為共沉淀法具有混料均勻,壓制前無需造粒,可燒結成均勻單相固溶體,以及乏燃料溶解性好等優(yōu)點。而機械混合法的工藝簡短,廢液量少,經(jīng)過努力也可制得性能與共沉淀法相當?shù)腗OX燃料芯塊。因此,英國、法國、比利時建成的40t/a中等規(guī)模和120t/a大型MOX燃料制造廠仍采用機械混合法。最初法國GOGEMA公司是采用直接混合(COCA)工藝生產(chǎn)輕水堆MOX芯塊,由于輻照后裂變氣體釋放率高而被淘汰。后來法國發(fā)明了微細化主混合(MIMAS)工藝,第一步是用球磨機將UO2+30%PuO2粉末進行球磨,球磨時間一般為5h。第二步是用高效混合器將第一步得到的主混合粉末與剩余的UO2粉末進行混合。傳統(tǒng)MIMAS工藝是用AUC-UO2粉末,但后來法國MELOX工廠的批量生產(chǎn)改用ADU-UO2粉末。如表1所示,MIMAS工藝規(guī)定最大富钚顆粒尺寸不超過150μm。MIMAS-ADU工藝制造的MOX芯塊中一般含有3種不同成分的相,即富鈾相(基體相)、富钚相和UO2表面包覆一層钚的涂層相。英國發(fā)明的SBR工藝是將干法IDR-UO2和PuO2粉末直接進行高能球磨,球磨時間一般為30min。與MIMAS工藝一樣,SBR工藝也用硬脂酸鋅作成型潤滑劑。并加入了一種名叫CONPOR的造孔劑,以保證芯塊的熱穩(wěn)定性。燒結溫度一般為1700℃。SBR-MOX芯塊的燒結密度為95%TD,O/M(氧與金屬的原子比)=2.00,晶粒尺寸為7.8μm。形成的氣孔呈雙峰分布,主峰分別為1μm和10~20μm,與IDR-UO2芯塊的氣孔分布相似。SBR-MOX芯塊的富钚顆粒最大僅為35μm,比MIMAS和OCOM工藝的富钚顆粒尺寸都要小得多,因此钚分布均勻性要更好,如圖2所示。在同樣輻照燃耗下,SBR-MOX燃料的裂變氣體釋放率小于MIMAS-MOX燃料。1997年美國LosAlamos國家實驗室(LANL)利用武器級钚和貧鈾(ADU-UO2)研制出了11個PWR-MOX燃料輻照考驗棒。MOX芯塊成分為UO2-5%PuO2的質量分數(shù)為5%,采用兩步混合工藝。原設計要求任何一個橫截面上富钚顆粒尺寸大于400μm的百分比不超過1.5%。后來為了進一步減少裂變氣體釋放,改進了球磨工藝,將最大富钚顆粒尺寸減少至100μm,使钚分布更均勻。2005年,日本核燃料循環(huán)研究院用三種方法制備了快堆MOX燃料芯塊,芯塊最高考驗燃耗為144GWd/kgM。芯塊1:用ADU-UO2粉末和草酸钚煅燒PuO2粉末進行混合、壓制和燒結,不加造孔劑。燒結后只產(chǎn)生少量不均勻的氣孔,密度92%~94%TD。最大富钚顆粒尺寸小于90μm。微觀組織如圖3所示。芯塊1在燃耗為20GWd/kgM時就有明顯的裂變氣體釋放,并且隨著燃耗增加而增大,幾乎與線功率無關。芯塊2:用微波脫硝UO2-PuO2(Pu∶U=20∶1)粉末和ADU-UO2粉末進行混合、壓制和燒結,該粉末燒結活性高,加入0.3%~0.8%造孔劑。燒結后產(chǎn)生大量中小氣孔,密度94%TD。最大富钚顆粒尺寸小于138μm。芯塊2在燃耗為40GWd/kgM時開始釋放裂變氣體,而且釋放率隨著線功率增大而增加。芯塊3:用ADU-UO2粉末和草酸钚煅燒PuO2粉末進行混合、壓制和燒結,加入1.3%~1.5%造孔劑。燒結后產(chǎn)生大量大氣孔,密度僅為85%TD。最大富钚顆粒尺寸小于60μm。芯塊3的裂變氣體釋放率最高,是因為該芯塊的密度偏低,芯塊的熱導率隨之降低,局部溫度偏高加速了裂變氣體的擴散遷移。研究指出,當燃耗小于70GWd/kgM時,隨著燃耗增大,裂變氣體釋放率逐漸增加;裂變氣體主要是儲存在大的氣孔內,因此改進芯塊的微觀組織,可以減少裂變氣體釋放。當燃耗接近100GWd/kgM時,裂變氣體釋放率高達80%,而與燃耗、芯塊制造工藝和微觀組織等因素無關,說明此時裂變氣體儲存能力很低,這一點要引起快堆設計者的考慮?？傊?MOX燃料的制造和應用要比UO2燃料復雜得多,研制周期長,投入高,需要培養(yǎng)從事MOX燃料研究開發(fā)的專門人才,以及長期積累相關技術和經(jīng)驗。MOX燃料元件和組件設計、MOX燃料芯塊、單棒和組件制造及相關性能檢測、MOX燃料元件和組件的輻照考驗技術等存在大量的關鍵技術需要攻克。MOX燃料必須在密封性能很好、屏蔽性能符合要求的手套箱內進行,這給工藝設備的安全性、可靠性和可操作性提出了特殊的要求,給工藝和測試設備的研制帶來了極大困難,西方國家在MOX燃料的研制過程中也走了不少彎路。按照國外發(fā)展經(jīng)驗,在科研條件得到保障的條件下,MOX燃料元件從實驗室研究到工業(yè)化生產(chǎn)應用至少需要15a的時間。4mox燃料芯塊的機械裝料設計我國已選擇核燃料閉式循環(huán)戰(zhàn)略路線,并且堅持走核電自主化建設道路。1987年國家科委曾批準了“863”計劃能源技術領域快堆燃料研究課題。由中國原子能科學研究院、核工業(yè)第一研究設計院和404廠合作開展了MOX芯塊研制、金屬型含钚燃料預先研究、低密度UO2芯塊制備、重結構輻照實驗及MOX乏燃料后處理研究等工作。經(jīng)過3年努力,課題組用化學共沉淀法(AUPuC)在實驗室規(guī)模制備出81塊MOX芯塊,并完成芯塊部分性能指標的測量。“九五”期間國家支持了MOX燃料領域的一些軟課題研究,中國原子能科學研究院初步開展了CEFR采用MOX燃料的堆芯設計和隨堆輻照考驗的可行性研究,核工業(yè)第五研究設計院進行了年產(chǎn)500kgMOX燃料制造廠的工程初步設計,404廠開展了MOX燃料制造工藝流程的初步設計。2001年12月,原國防科工委批準了“十五”核能開發(fā)科研項目——“MOX燃料元件技術研究”。該項目由中國原子能科學研究院、核工業(yè)第五研究設計院和404廠共同承擔,發(fā)揮廠院結合的優(yōu)勢進行聯(lián)合攻關。通過“十五”科研攻關,開展了MOX燃料元件堆芯轉換用CIATTION程序、RICP程序、FMP程序包、NVI-TAMIN-C截面數(shù)據(jù)庫、WINMS新數(shù)據(jù)庫的應用開發(fā),提交了堆芯物理計算設計報告。開展了MOX燃料元件設計用BEHAVE-SST和METERO-1.5程序的應用開發(fā),提交了CEFR-MOX輻照考驗組件的設計報告。CEFR堆芯的設計有相當?shù)撵`活性。CEFR-MOX燃料芯塊尺寸初步按?外5.10mm、?內1.60mm、高度6.50~9.00mm進行設計,單個芯塊重量為1.25~1.73g。根據(jù)堆芯初步設計計算,如果CEFR采用MOX燃料,則MOX燃料的初步成分設計為:235U富集度為36%(質量分數(shù))的中濃鈾,PuO2為29.4%(質量分數(shù))。由于CEFR堆芯可以擴充一排燃料組件,因此也可采用235U富集度為19.6%、而工業(yè)PuO2質量分數(shù)為31.8%的MOX燃料;按此裝料方案,一爐CEFR-MOX燃料需289.2kgUO2和134.8kgPuO2;一爐料是80個組件,每個組件含61根單棒,則每個組件含1.6854k