张振华，陈明军

（秦山第三核电有限公司，浙江 海盐 314300）

核电作为一种清洁、安全和经济的能源，技术发展成熟，在保障能源安全、改善能源结构、控制环境污染等方面是最现实的解决途径。就我国而言，发展核电是优化能源结构、保障能源安全、促进经济持续发展的重要手段，是解决当前及未来能源安全问题和环境污染问题的必然选择，是厉行节能减排、减少温室气体排放，实现经济、社会和生态环境协调发展的有效途径，是顺应世界能源利用和发展趋势的明智抉择[1]。总体来说，大规模发展核电是符合科学发展观要求的现阶段最有效的能源解决途径。

进入21世纪以来，我国确定了“积极发展核电”的方针，并制定了2020年建成4 000万kW、在建1 800万kW的规划目标，核电进入了一个快速发展的阶段。国内相关企业集团和地方政府纷纷响应国家方针，大力参与核电建设，核电的规划目标正逐步落实，并有加快发展趋势。

按照国家规划，新建核电厂无一例外地选择了压水堆堆型，包括二代改进型技术的CNP600技术、M310技术，以及三代技术AP1000等。压水堆成为我国核电发展的主流技术。

但是，与作为发展主流的压水堆相比，重水堆因其独特的堆芯设计和运行特点，在技术上具有一定的竞争优势。立足于这些技术优势，通过对重水堆技术的开拓创新，可使重水堆具备“一堆多产”的能力，并且具备与压水堆“互补运行”的特点。适度发展重水堆，作为压水堆的补充，是符合科学发展观及构建环境友好型、资源节约型社会的国策的。

1 重水堆特点及技术优势

重水堆是世界上三大主流商用堆型之一，由加拿大原子能公司开发。我国从加拿大引进的是两座CANDU6型重水堆。重水堆具备如下特点：采用压力管式堆芯结构；以重水堆作为慢化剂和冷却剂，慢化剂和冷却剂分离；以天然铀作为燃料；采用不停堆换料方式等。

由于重水堆采用重水作为慢化剂和冷却剂，重水的中子吸收截面较小，慢化系数比轻水要大得多，因此，重水堆中子经济性很高，使其可以灵活使用包括天然铀、稍浓缩铀、回收铀、MOX燃料、钍燃料等在内的多种燃料循环方式。另外，独特的堆芯设计还可以大量地生产60Co等多种同位素。

1.1 铀资源利用率高

重水堆燃料转化比高，燃烧充分，与压水堆相比，可以节约大量铀资源。秦山三核两座CANDU6堆现在每年发电约110亿度，仅需消耗191 t天然铀，与压水堆相比，每发电100亿度可节约天然铀52～80 t，天然铀资源利用率高29%～47%(见图1)。

图1 国内几个核电机组发电100亿度所消耗的天然铀Fig. 1 Natural uranium consumption for several domestic NPPs to generate 10 TWh of electricity

1.2 可经济利用回收铀

回收铀在压水堆使用时，必须经过再浓缩。再浓缩后回收铀燃料的放射性水平增大较多，而且234U和236U的同步浓缩需要额外增加235U丰度才能补偿234U和236U引起的中子损失。因此，受放射性水平和吸收中子的同位素的制约，回收铀再浓缩后在压水堆上使用存在较大的不利因素，经济代价也较大。据国外研究和试验使用的反馈，压水堆使用回收铀作燃料的浓缩和制造成本是天然铀的3倍以上，而且其燃料利用率也相对较低。目前，国际上回收钚制成MOX燃料一定规模用于轻水堆已是成熟的技术，将来它还可装入试验和商用快堆使用，而回收铀除少部分试验性使用外，绝大部分被转化成U3O8等比较稳定的形式长期存放，大多数压水堆业主不主张在轻水堆上使用再浓缩的回收铀。

与压水堆相比，在重水堆上使用回收铀作燃料具有明显的技术和经济优势：

（1）回收铀在重水堆上使用不需要再浓缩。压水堆回收铀的富集度通常高于天然铀的富集度，因此可作为一种稍浓缩铀或者与贫铀混成一种等效天然铀在重水堆上使用。

（2）重水堆使用的未浓缩的回收铀的放射性水平比压水堆使用的再浓缩回收铀燃料的放射性水平要低得多。重水堆上未经再浓缩使用的回收铀燃料，其放射性水平为天然铀燃料的3～4倍。而浓缩到5%富集度的回收铀的放射性水平是未经浓缩的回收铀的放射性水平的20倍以上，是浓缩的天然铀燃料的放射性水平的80倍以上。

（3）重水堆使用回收铀的燃料利用率明显高于压水堆。由于良好的中子经济性和高燃料转化比，使得回收铀在重水堆的利用率比压水堆高50%以上。

（4）重水堆使用回收铀燃料在技术上容易实现，经济代价小。U3O8形式的回收铀可直接用于重水堆燃料的原料；燃料制造工艺不需要太大的改造；辐照产生的铀同位素成分浓度较低，对燃料和堆芯的物理、热工和安全性能影响较小；燃料组件制造简单；可通过重水堆特有的换料方式灵活地实现两种不同燃料的平稳转换。

（5）重水堆使用回收铀的经济性要明显高于压水堆。重水堆使用回收铀将使整个燃料循环的成本降低30%。

以上这些特点弥补了压水堆使用回收铀的不足，使重水堆成为解决回收铀利用的一条经济有效的途径。

我国已确定走核燃料闭合循环和铀钚分离的技术路线[2]，未来我国核电将主要以压水堆为主，将来所有压水堆的乏燃料通过后处理以后，势必每年将产生大量的回收铀和回收钚。而且，我国是少数几个既有压水堆又有重水堆的国家，如前所述，两种堆型存在“互补型”运营特点,重水堆可以经济利用压水堆乏燃料后处理回收铀。这种循环既能更有效地利用回收铀的资源，减少天然铀的消耗和回收铀的长期储存费用，又不影响回收钚在压水堆或者未来的快堆中使用，是我国很长一段时间内比较理想的一种燃料循环方式。因此，实现回收铀的循环再利用对于我国提高铀资源利用率、减轻核燃料供应压力、减少高放废物、维持核能可持续发展有着十分重大的意义，并使得核燃料闭式循环成为真正的现实。

1.3 可利用钍资源

世界上已探明的钍资源较为丰富，其含量是铀的3倍。我国钍资源储量丰富，居世界第二位，已探明储量28.6万t。钍在自然界主要以232Th同位素存在，它不是易裂变材料，需要在核反应堆中通过核反应转化为易裂变核素233U。随着核能技术的发展，人们逐渐认识到利用钍资源开发利用核能是可行的，而且和铀资源利用相比在某些方面还存在一定的优势。

面对我国蓬勃发展的核电事业和我国铀资源短缺而钍资源丰富的现状，研究钍资源核能利用十分必要，对维持裂变核能可持续发展有重要的意义。此外，在我国包头的白云鄂博矿床蕴藏了约占全国已探明资源量的77.4%的钍矿，包钢在开采铁矿和稀土矿的同时，也开采出了与之伴生的钍矿，没有进一步利用，对黄河和包头的环境造成了很大的污染，急需治理。因此，无论从核燃料保障的角度还是从环境保护的角度来考虑，开发核能用钍技术并实现工程应用都具有重要意义。

由于重水堆的一些固有特点，其在钍燃料利用方面具有很多优点：因其可以不停堆换料，后备反应性要求低，可以使用低浓铀实现钍堆驱动；由于与压水堆中子能谱的差别，重水堆生产的233U中232U的含量远低于压水堆；重水堆换料灵活性好，容易实现钍燃料的灵活利用；加拿大已经针对重水堆用钍开展大量研究工作，有充分的技术储备。重水堆是实现钍资源核能利用的最可能的途径。

2008年12月，国家能源局组织召开“钍资源核能利用专家研讨会”。会议认为，从核电规模发展和核燃料需求形势来看，钍资源核能利用前景比较看好，并提出以重水堆核电站为突破口，开展国际交流和合作，通过重水堆用钍的技术研发，为实现我国钍资源利用的潜在发展奠定技术基础。

1.4 重水堆其他技术优势

（1）同位素生产

重水堆具有大规模生产同位素的优势。重水堆的调节棒装置主要用于功率控制、氙毒补偿、堆芯功率分布展平，以及在装卸料机发生故障的情况下，提供后备反应性维持电站运行。调节棒装置由21根调节棒组成，垂直布置。初始设计以不锈钢为热中子吸收体，正常运行时21根调节棒全部插入堆芯。如将原不锈钢调节棒更换为59Co调节棒，即可通过59Co核素与堆芯内丰富的中子发生核反应，生产出具有极大使用价值的60Co同位素。只要新更换的59Co调节棒满足设计要求，这个生产过程不会对反应堆运行产生任何影响。2004年以来，我国每年从国外进口钴源都保持在700万～800万C i。国际上绝大多数钴源是由重水堆生产的，且利用重水堆生产钴源不影响机组正常发电，是有效利用资源的科学方法。2009年初，在秦山三期1号机组上成功实施了钴调节棒更换，开始正式生产60Co。今后，我国两座重水堆核电机组，每年可提供600万Ci的60Co同位素，可以满足国内80%的钴源需求。

（2）重水储备

重水是重要的战略物资。重水堆核电站每年需要补充一定量的重水，对维持我国的重水生产能力，确保重水储量具有重要的战略意义和作用。

2 秦山三核开拓创新重水堆技术的主要实践

秦山三核进入生产运行期后，在保证机组安全稳定经济运行的同时，注重技术创新，先后成功组织实施了1号、2号机组汽轮机功率提升改造等技术攻关，受到国内外同行的广泛好评。近年来，秦山三核的技术人员立足于重水堆的技术优势，不断开拓创新重水堆技术，取得可喜成绩。

2.1 不锈钢调节棒改为59Co调节棒生产60Co

为充分利用重水堆的资源优势，大规模生产60Co以满足我国的钴源市场需求，秦山三核从1998年就开始60Co生产相关的准备工作，并于2008年6月获得国家核安全局的批准。

2009年初，首批钴棒于104大修入堆。从一系列物理试验结果以及半年多的运行情况来看，新入堆的钴棒对堆芯的调节功能与原不锈钢调节棒相当，没有对反应堆的安全稳定经济运行造成任何不利影响。这标志着60Co同位素生产项目获得成功。2010年后，随着辐照钴棒的先后出堆，所生产的60Co同位素将满足国内80%的市场需要。

60Co项目中，从钴调节棒设计直至最终生产出同位素应用产品，整个过程全部依靠国内自己的技术力量实现，在投入很小的情况下完成同位素生产的任务，一举改变了国内钴源几乎全部依靠进口的局面，在实现国产化打破国际垄断的同时，也为公司赢得了良好的社会声誉。

2.2 推动压水堆回收铀在重水堆应用的各项工作

2008年，秦山三核与中国核动力研究设计院、中核北方燃料元件有限公司、加拿大原子能公司等国内外同行签订了技术合作协议，共同推进回收铀应用项目。

回收铀中235U的丰度高于天然铀，用于重水堆时有两种途径：一种是直接应用；另一种是与贫铀按一定比例混合，使其堆物理性能与天然铀等效，再加以利用。经可行性研究确定采用两步走的战略，即先以等效天然铀方式利用回收铀，取得一定的经验之后再逐步实现经济效益更高的回收铀直接利用。

该项目于2008年完成可行性研究，2009年上半年完成等效天然铀燃料以及其入堆示范验证方案的设计论证，目前正在稳步推进实施工作。2009年8月初入堆示范验证的申请报告已经上报国家核安全局审评，首批向国外采购约900 kg回收铀粉末的采购合同已签订，2009年11月到货后即开始入堆示范验证棒束的制造，2010年初可实现回收铀试验燃料的入堆，开始回收铀燃料入堆示范验证工作。同时，合作各方计划开展回收铀在重水堆的全堆芯应用的研究设计工作。预计项目完成后，秦山三核两个机组所需的核燃料将来可以全部由回收铀和贫铀混合而成，每年可节省天然铀资源200 t。

2.3 组织开展重水堆利用钍资源的相关研发工作

2008年，秦山三核与中国核动力研究设计院、中核北方燃料元件有限公司、加拿大原子能公司等合作各方启动了重水堆实现钍资源核能利用的研发工作。目前已基本完成可行性研究工作，并初步确定了以增强型坎杜6（EC6）重水堆为基础采用低浓铀驱动钍燃料的技术方案。

EC6重水堆参照了多个运行重水堆核电厂的经验反馈，借鉴了先进压水堆和重水堆的设计理念，对现有的CANDU6重水堆进行了多项优化和改进，比如增加应急排热系统为第五套专设安全系统，采用先进的分布式控制系统，提升机组出力，延长电站寿命到60年等，提升了机组的安全和经济性能，满足最新核安全法规和标准的要求。

在EC6重水堆上利用钍，将采用成熟的先进高性能CANFLEX燃料结构，其外圈的35根燃料棒中装载低浓缩铀作为钍利用的驱动燃料，内圈的8根燃料棒中装载纯钍。初步设计考虑占机组寿命绝大部分时间的平衡堆芯平均采用1.6%的低浓缩铀作驱动燃料，早期的过渡堆芯拟平均采用1.43%的低浓缩铀作驱动燃料。平衡堆芯下低浓缩铀/钍 (LEU/Th)的燃料组件的设计卸料燃耗可达到20 000 MW·d /tHE。该方案具有以下特点：

（1）“一次性通过”燃料利用率高

普通压水堆的天然铀消耗率为25.3 tNU/TW·h，高燃耗压水堆为21.3 tNU/TW·h，普通的EC6重水堆为17.4 tNU/TW·h。而低浓缩铀/钍燃料EC6重水堆可以将天然铀的消耗降低到13.8 tNU/TW·h，实现了钍作为燃料的一次发电和有效利用，与前三者相比天然铀消耗率分别降低了45.2%、35.2%和20.7%，实现钍核能利用、节省天然铀资源效果显著。

（2）方便将来后处理再利用

EC6重水堆的低浓缩铀/钍燃料组件采用钍铀分离的设计理念，将一定程度简化钍燃料的后处理技术，有利于将来实现后处理循环再利用。并且，该组件的8根钍燃料棒在堆上辐照以后，产生的233U占钍乏燃料的比重将达到1.1%，而且每克233U成分中232U的浓度仅为（0.5～5）×10-9g，233U纯度极高，相当于每烧100 t钍燃料，在卸出的乏燃料中将来可以提取与150 t天然铀相当的易裂变材料用于再发电，同时剩余的97.6%钍燃料还可以回收再复用，其后处理再循环利用价值较高。

（3）推动钍资源核能利用一系列共性关键技术的研究和发展

我国稀土采冶过程中的萃取回收钍的生产工艺已成熟，包钢已提炼出了近2 t高纯度的草酸钍原料，但总体上我国的钍资源核能利用方面的研究不够全面和深入。通过低浓缩铀/钍燃料EC6重水堆的技术开发和建设，能够以工程项目带动技术研究和进步，通过引进消化吸收国外已有的关键技术，在国内建立从钍冶金、钍燃料组件制造、辐照考验和辐照后检验、钍堆工程设计到堆内规模化应用的一套有一定规模的、较为完整的钍资源核能利用工业体系，率先实现钍资源的工程示范性核能利用，推动国内钍资源核能利用的基础研究工作，带动辐照元件的后处理试验，为不同堆型应用钍资源打下技术基础，为今后我国大规模核能利用钍资源和解决钍环境污染问题开辟道路。

目前，秦山三核正在联合其他三方，扎实稳健地推进重水堆利用钍资源的技术研发和工程项目规划工作，初步目标：2014年完成低浓铀/钍燃料EC6重水堆的初步设计和相关试验具备开工建设的条件。

3 结论

与作为技术主流的压水堆相比，重水堆因其独特的堆芯设计和运行特点，具有燃料灵活多样、铀资源利用率高、可利用钍资源和回收铀、可大量生产60Co等多种同位素的技术优势。秦山三核正在根据重水堆的比较优势开发重水堆相关技术，目前已经实现60Co生产棒束入堆，重水堆回收铀应用和重水堆利用钍资源技术也在抓紧开发中，可预见实现其工程应用将为期不远。将来重水堆运行不仅不再大量消耗天然铀资源，而且对多渠道解决核燃料供应、后续钍资源核能利用的技术发展和在其他堆型的推广应用、促进核电产业的科学发展意义重大。建议国家在建设和发展压水堆主流核电机组的同时，适当考虑建设一些重水堆机组与压水堆互补发展。

[1] 李干杰. 把握节奏，既积极又稳妥地有序推进我国核电建设. 中国核能可持续发展论坛文集[C]. 中国核能行业协会. 北京，2008.5.

[2] 国家发展和改革委员会. 国家核电中长期发展规划（2005-2020年）[R]，2007.10.