《中國核能行業(yè)智庫叢書（第五卷）》已于2022年8月完成出版發(fā)行，這是一本發(fā)產(chǎn)業(yè)先聲的智慧文萃，是行業(yè)專家們從不同角度、不同深度對產(chǎn)業(yè)前途命運進(jìn)行思考的思想文庫。自2023年3月起，協(xié)會微信公眾號將精選大部分文章與廣大讀者共享。

今天推出的是《中國核能行業(yè)智庫叢書（第五卷）》“優(yōu)秀文章”板塊文章《中國自主化商業(yè)閉式核燃料循環(huán)發(fā)展模式與路徑的研究與探索》。

肖  岷 

博士，在核工業(yè)領(lǐng)域工作超過 30 年。1991 年起致力于大亞灣核電站、嶺澳核電站反應(yīng)堆燃料管理、堆芯設(shè)計、安全分析與換料安全評價等核電站的核心技術(shù)工作；牽頭實施了一系列重大反應(yīng)堆堆芯設(shè)計及燃料管理的重大改進(jìn)。

《中國自主化商業(yè)閉式核燃料循環(huán)發(fā)展模式與路徑的研究與探索》

前言

截至 2021 年年底，中國有 53 臺核電機組在運行，占總電力裝機容量約5%。中國在建核電機組 16 臺，未來將有更多核電機組開工建設(shè)。中國累計乏核燃料已超過 8 500 噸。據(jù)估計，到 2030 年，中國累計乏核燃料將達(dá)到約 23 500 噸。我國已建成一座鈉冷試驗快堆 CEFR，另一座鈉冷示范快堆 CDF-600 正在建造。

中國采取閉式核燃料循環(huán)政策。自 2018 年以來，一個小型 MOX 燃料制造試驗設(shè)施一直在開發(fā)試驗，主要用于快堆。2006 年開始建設(shè)后處理中試廠，2010 年完成熱調(diào)試，后處理能力約 50 噸 / 年。2015 年 3 月我國開始建設(shè)一座年處理能力為 200 噸乏燃料的乏燃料后處理廠。一個基于國際合作的大型（800 噸 / 年）商業(yè)后處理廠項目有關(guān)籌備工作在 21 世紀(jì)初啟動。

然而，大型商業(yè)化后處理項目面臨巨大挑戰(zhàn)，進(jìn)退兩難。原因在于一些重要的頂層設(shè)計問題和發(fā)展模式問題沒有解決。例如，如何啟動和實施商業(yè)化閉式核燃料循環(huán)？800 噸商業(yè)化后處理大廠回收的 Pu 和 U 等如何使用？與后處理大廠配套的 MOX 燃料的使用對象是什么（快堆還是壓水堆）？這些問題沒有明確答案和解決方案必然造成商業(yè)后處理大廠項目及其燃料循環(huán)難以推進(jìn)。

中國商業(yè)化閉式核燃料循環(huán)和 800 噸后處理大廠實施的關(guān)鍵頂層設(shè)計必須回答問題是：是直接在快堆上實施閉式核燃料循環(huán)？還是從成熟的商用壓水堆開始啟動閉式核燃料循環(huán)？

既然中國實行閉式核燃料循環(huán)政策，且已擁有相當(dāng)規(guī)模和成熟的大型壓水堆核電廠，國際上也有成熟的商業(yè)壓水堆閉式燃料循環(huán)經(jīng)驗，因此，中國商業(yè)化閉式核燃料循環(huán)如何啟動需充分借鑒國際經(jīng)驗并結(jié)合中國商用壓水堆實際情況來綜合考慮。

法國已在其商用壓水堆機組中實施大規(guī)模 MOX 閉式核燃料循環(huán)超過 40 年。法國已經(jīng)建立了完整的閉式核燃料循環(huán)工業(yè)化體系，為未來的快堆核燃料循環(huán)奠定了堅實的基礎(chǔ)。俄羅斯近年來調(diào)整了過去只開發(fā)快堆核燃料循環(huán)戰(zhàn)略，采取了快堆與壓水堆（VVER）核燃料循環(huán)雙管齊下的做法：俄羅斯在保持快堆燃料循環(huán) 發(fā)展的同時，啟動了使用 REMIX 燃料的 VVER（壓水堆）閉式核燃料循環(huán)，兩條線平行推進(jìn)。

由于 MOX 燃料的特性與 UOX 燃料有明顯的差異，使用 MOX 燃料的反應(yīng)堆對反應(yīng)堆設(shè)計、反應(yīng)性控制和安全裕度有特殊的要求。

法國使用 MOX 燃料的核電機組是特定的 24 臺 900 兆瓦壓水堆機組（CPY），全部采用年度換料，安全系統(tǒng)保留特殊設(shè)計（如安注系統(tǒng)較高的硼濃度，反應(yīng)性控制采用較多的 RCCA 棒束等），對燃料富集度和燃耗也有一定限制。

與法國、俄羅斯等國家實施閉式核燃料循環(huán)的情況不同，中國壓水堆的運行狀況和運行模式差異很大。中國不同的壓水堆經(jīng)歷了很多設(shè)計改進(jìn)和改造，包括反應(yīng)堆的功率升級，長周期（15 ～ 19 個月）換料，并且使用含釓可燃毒物燃料等多種燃料。平均燃耗提高到了約 43 GWd/tU，最高燃耗約為 50 GWd/tU。迄今

為止，中國所有商業(yè)壓水堆均使用二氧化鈾燃料，燃料富集度已提升至 4.45% ～ 4.95%。由于這些核電機組（主要是安全裕度相對較小的二代改進(jìn)型壓水堆機組）采用了更高的燃料濃縮度、更長的換料周期、更高的燃耗和更低（中子）泄漏堆芯燃料裝載模式（功率峰因子更大），這些多樣化的設(shè)計改進(jìn)和改造已經(jīng)消耗了一定的安全裕度（包括 DNBR 裕度），使得中國潛在的閉式核燃料循環(huán)的啟動與過渡更加復(fù)雜（主要指二代改進(jìn)型壓水堆機組，三代壓水堆則基本不受限制）。

1中國商業(yè)閉式核燃料循環(huán)的啟動從壓水堆開始還是從快堆開始？

幾十年來，關(guān)于未來核燃料循環(huán)的討論一直以基于快堆钚的封閉核燃料循環(huán)的預(yù)期最終部署為主。到目前為止，快堆的成熟度總體上仍然較低。人們對核燃料循環(huán)的不斷研究表明，存在多種核燃料循環(huán)方案，這些方案面臨著巨大的不確定性，包括技術(shù)、經(jīng)濟等因素。預(yù)計至少到 21 世紀(jì)下半葉，快堆技術(shù)及其核燃料循環(huán)才可能逐漸成熟并以一定規(guī)模部署。

燃料循環(huán)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)體系的建立非常復(fù)雜，包括乏燃料后處理、MOX 燃料制造和高放廢物處置設(shè)施。相關(guān)技術(shù)的積累和設(shè)施的建立需要很長時間。

迄今，比利時、法國、德國、印度、瑞士、瑞典等國的大量商業(yè)運行的壓水堆和沸水堆獲得了 MOX 燃料組件的許可。此外，日本已有 10 多個反應(yīng)堆獲得使用 MOX 燃料許可。美國在 21 世紀(jì)初已經(jīng)將 MOX 燃料作為先導(dǎo)組件（LTA）引入壓水堆。半個多世紀(jì)以來，大量 MOX 燃料用于輕水反應(yīng)堆的經(jīng)驗已經(jīng)證明了閉式核燃料循環(huán)的商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)成熟。全球有超過 7 500 組 MOX 燃料組件已經(jīng)用于輕水堆。

法國是壓水堆閉式核燃料循環(huán)商業(yè)化最成功的國家。作為第一步，法國在壓水堆中實施 MOX 核燃料循環(huán)，以建立核燃料循環(huán)工業(yè)化基礎(chǔ)，既能夠節(jié)省鈾資源， 又能將高防核廢物總量減少四倍。法國 24 PWR 機組已長期使用 MOX 燃料進(jìn)行日常發(fā)電。

法國壓水堆商業(yè)化閉式核燃料循環(huán)的成功實施，為核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)奠定了堅實的基礎(chǔ)，這對于未來建立以快堆等先進(jìn)反應(yīng)堆為主的先進(jìn)核燃料循環(huán)的意義不言而喻。

俄羅斯在過去相當(dāng)長一段時間內(nèi)主要關(guān)注快堆的閉式燃料循環(huán)和 MOX 應(yīng)用。然而，最近俄羅斯調(diào)整了燃料循環(huán)戰(zhàn)略，采取了雙管齊下的做法：俄羅斯在保持快堆燃料循環(huán)發(fā)展的同時，啟動了使用 REMIX 燃料的 VVER（壓水堆）閉式核燃料循環(huán)，兩條線平行推進(jìn)。這種雙管齊下的方法將更有效且風(fēng)險更低，因為從商業(yè)應(yīng)用角度來看，VVER（PWR）遠(yuǎn)比快堆更成熟。自 2016 年以來，REMIX 燃料先導(dǎo)燃料棒（LTR）和先導(dǎo)燃料組件（LTA）已引入研究反應(yīng)堆和商用 VVER 中， 有關(guān)進(jìn)展較順利。2022 年 REMIX 燃料還計劃批量裝入 VVER 反應(yīng)堆。

在采用閉式核燃料循環(huán)策略的國家中，沒有一個國家不在成熟的輕水堆中使用 MOX 燃料，如法國、俄羅斯、日本等。甚至一些沒有采用閉式核燃料循環(huán)政策的國家也已經(jīng)在商用壓水堆中實施了 MOX 燃料的 LTA 計劃（如美國）。

從國際經(jīng)驗可以看出，如果不從成熟的輕水堆啟動 MOX 燃料循環(huán)以積累經(jīng)驗，實現(xiàn)自主的商業(yè)化閉式核燃料循環(huán)幾乎是不可能的，或者存在巨大的風(fēng)險。到目前為止，中國還沒有在成熟的壓水堆中實施包括 MOX 燃料 LTA 計劃在內(nèi)的任何核燃料循環(huán)試驗，因此中國的閉式核燃料循環(huán)啟動和實施似乎還很遙遠(yuǎn)。

2核燃料循環(huán)國際經(jīng)驗

2.1法國模式

壓水堆 MOX 燃料循環(huán)。法國已在其壓水堆中實施 MOX 燃料循環(huán)約超過 40 年。法國已經(jīng)建立了完整的燃料循環(huán)工業(yè)化體系，為未來的快堆燃料循環(huán)奠定了堅實的基礎(chǔ)。法國專門指定了 24 臺（900 MW）壓水堆機組使用 MOX 燃料發(fā)電。超過 4 000 組 MOX 燃料組件已經(jīng)交付用于發(fā)電。法國認(rèn)為壓水堆閉式燃料循環(huán)對于從壓水堆向快堆過渡的閉式核燃料循環(huán)具有重要意義。

法國 900 MW 反應(yīng)堆在堆芯中使用了 30% 的 MOX 燃料，Pu 含量約為8.65%，并且 UO2 燃料和 MOX 燃料均采用相同的 1/4 換料實現(xiàn)了 MOX Parity（兩種燃料的 Bu 均衡）。每年約有 1 000 噸來自壓水堆的 UO2 乏燃料組件經(jīng)過后處理得到 100 噸钚，這些钚用于制造 MOX 燃料組件供給 24 臺 900 MW 反應(yīng)堆使用。

MOX 燃料堆芯具有更高的中子能譜和不同于 UO2 燃料堆芯的反應(yīng)性特性。為此，法國在反應(yīng)堆中采用了更多的 RCCA，并在這些反應(yīng)堆的硼補給系統(tǒng)和安全注射系統(tǒng)中采用了高濃度的硼酸，以提高安全性。對于三代壓水堆（如 EPR）則采用了富集硼等措施。

2.2俄羅斯模式

VVER 反應(yīng)堆 REMIX 燃料循環(huán)。REMIX（再生混合）燃料由從乏燃料后處理（通過不同的后處理技術(shù)）中回收的未分離的鈾钚混合物，再添加 20% 低濃縮鈾（235U 富集度最高可達(dá)到 17%）組成，該燃料當(dāng)量約為 1% 的 239Pu 和 4% 的235U，該燃料可在四年內(nèi)達(dá)到 50 GWd/t U 的燃耗。REMIX 燃料中補充了一定量的低濃縮鈾，其參數(shù)與運行性能與僅采用 LEU 制成的燃料相當(dāng)。這意味著反應(yīng)器不需要任何修改即可開始使用 REMIX 燃料。

與輕水堆的 MOX 乏燃料不再進(jìn)行后處理（如法國）不同，REMIX 乏燃料可以進(jìn)行多次后處理，每次后處理后添加一定的新鮮 LEU 后制造成新的 REMIX 燃料，并在  VVER（LWR）中多次進(jìn)行再循環(huán)。多次后處理循環(huán)、多次堆內(nèi)燃料循環(huán)和 REMIX 再制造可重復(fù)多達(dá)五次（再循環(huán)），每次都去除裂變產(chǎn)物廢物并進(jìn)行玻璃固化，準(zhǔn)備好進(jìn)行永久地質(zhì)處置。理論上，一座新的反應(yīng)堆內(nèi)僅依靠三爐全堆芯REMIX 燃料裝載進(jìn)行連續(xù)再循環(huán)，可以運行長達(dá)整個 60 年設(shè)計壽命（每爐燃料運行 4 年為一個堆內(nèi)燃料循環(huán)周期，經(jīng)乏燃料后處理、制造新的 REMIX 燃料再入堆運行，為一個完整的再循環(huán)周期，REMIX 燃料可進(jìn)行 5 次乏燃料后處理，這樣一爐 REMIX 運行總長度可達(dá)到 20 年。因此三爐完整 REMIX 燃料理論上可運行到 60 年）。

在 2016 年 REMIX 先導(dǎo)燃料棒和先導(dǎo)組件已經(jīng)裝入研究堆和商業(yè) VVER 的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，一批六個組 REMIX 燃料組件計劃于 2022 年在 VVER-1000 反應(yīng)堆中經(jīng)歷一個完整的再循環(huán)周期。二元核發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要的輕水堆功率容量大約是快堆的兩倍（1FR+2PWR），具體取決于 FR 增殖系數(shù)、LWR 堆芯 MOX 燃料的比例和 LWR 中的燃料管理設(shè)計。該系統(tǒng)的钚在一定程度上是自給自足的，其中 Pu 和大部分 U 不會離開系統(tǒng)，而是盡可能地在該系統(tǒng)中循環(huán)利用，并且?guī)缀鯖]有乏燃料積累。次錒系元素在快堆中焚燒。

3對中國商業(yè)化封閉核燃料循環(huán)模式和實施路徑的分析與探索

3.1從成熟的壓水堆積累閉式核燃料循環(huán)經(jīng)驗的必要性和優(yōu)點中國采用閉式燃料循環(huán)政策，并在 21 世紀(jì)初啟動了大型商業(yè)后處理廠和閉式燃料循環(huán)項目，計劃建設(shè) 800 噸 / 年的后處理廠及配套設(shè)施。

然而，目前為止，似乎還沒有可行的可行性研究（包括經(jīng)濟分析），沒有可實施的商業(yè)閉式燃料循環(huán)頂層設(shè)計和路線圖規(guī)劃，這使得商業(yè)閉式核燃料循環(huán)的實施面臨巨大困難，進(jìn)退兩難。

到 2035 年，中國壓水堆機組裝機數(shù)量可能超過 100 臺，容量超過 100 GW。到21 世紀(jì)中后期，輕水反應(yīng)堆（PWR）仍是主流核電技術(shù)，中國的核電規(guī)模預(yù)計超過美國達(dá)到世界第一。中國若要實施商業(yè)化閉式核燃料循環(huán)，在成熟的壓水堆中實施閉式燃料循環(huán)將完全可行，風(fēng)險低，并可為未來先進(jìn)燃料循環(huán)奠定產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

3.2核燃料循環(huán)第一階段：壓水堆 MOX 核燃料循環(huán)

閉式核燃料循環(huán)的建立是一個長期的過程，需要積累工業(yè)和運行經(jīng)驗。因此， 非常有必要從成熟的壓水堆啟動和建立閉式核燃料循環(huán)系統(tǒng)，即壓水堆 MOX 核燃料循環(huán)，作為核燃料循環(huán)的第一階段（初級階段）。

輕水堆（PWR）是一項成熟的技術(shù)，具有廣泛而成熟的國際經(jīng)驗，包括使用MOX 燃料。因此，在壓水堆中實施閉式燃料循環(huán)的可行性是確定的。這些經(jīng)驗和實踐為那些有閉式核燃料循環(huán)政策但尚未實施的國家建立閉式核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)體系提供了寶貴的參考。對于擁有商業(yè)核電并采用閉式核燃料循環(huán)政策的國家，明智的做法是在快堆及其核燃料循環(huán)部署之前，先啟動并逐步建立基于成熟輕水堆的閉式核燃料循環(huán)系統(tǒng)。

輕水堆建立閉式核燃料循環(huán)是閉式核燃料循環(huán)的初級階段，是中國建立自主化閉式核燃料循環(huán)的一個不可逾越的階段。從輕水堆建立閉式核燃料循環(huán)將有助于我國建立 FR-PWR 二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)，并過渡到快堆和其他先進(jìn)核燃料循環(huán)系統(tǒng)。

MOX 燃料組件的堆芯物理性質(zhì)與 UO2 燃料組件有顯著差異，包括慢化劑溫度系數(shù)（MTC）、空泡反應(yīng)性系數(shù)、燃料溫度系數(shù)（多普勒系數(shù)）、硼反應(yīng)性系數(shù)、中子能譜等。當(dāng) Pu 含量增加時，能譜變硬，MTC 貢獻(xiàn)減少。隨著 Pu 含量的增加，空泡反應(yīng)性系數(shù)趨于正值。燃料溫度系數(shù)（多普勒系數(shù)）的絕對值隨著 Pu 含量的增加而降低。輕水堆 MOX 燃料堆芯的整體反應(yīng)性隨燃耗的變化曲線比 UO2 燃料更平緩，這主要是由于 239Pu 的增殖效應(yīng)。這些參數(shù)的特性與 MOX 燃料的設(shè)計和堆芯中 MOX 燃料的比例等因素有關(guān)。因此，使用 MOX 燃料的反應(yīng)堆需要在反應(yīng)堆設(shè)計、堆芯設(shè)計和反應(yīng)堆運行中采取特殊的、有針對性的措施。

MOX 堆芯的硼反應(yīng)性系數(shù)絕對值很小，只有 UOX 堆芯的 20% 左右。這也是大部分二代壓水堆不能接受 100% MOX 燃料裝載的主要原因之一，因為正常運行和緊急停機時對硼濃度的要求太高。

因此，使用 MOX 燃料的反應(yīng)堆對 MOX 燃料設(shè)計、堆芯 MOX 燃料比例、燃料管理設(shè)計和堆芯安全裕度（包括 DNBR 裕度）都有更高的要求。由于二代壓水堆安全裕度較低，堆芯 MOX 比不宜過高（如不超過 30%），且對堆芯燃料管理設(shè)計、控制棒系統(tǒng)設(shè)計特性以及一回路安全注射系統(tǒng)等有特殊要求。

此外，與法國、俄羅斯等國家的閉式核燃料循環(huán)的情況不同，中國眾多壓水堆的運行模式和運行狀況以及堆芯燃料管理是多種多樣的（而非統(tǒng)一的模式）。大多數(shù)壓水堆實施了不同的電廠改造，如反應(yīng)堆功率升級、不同的堆芯設(shè)計和燃料組件換型，換料周期為 12 ～ 18 個月，燃料類型不同，燃耗不同，這些設(shè)計改進(jìn)消耗了大量的安全裕度。由于二代壓水堆的安全裕度本身就不高，上述這些特點和差異給我國（二代壓水堆）實施閉式核燃料循環(huán)帶來了一定的挑戰(zhàn)和困難。

如果要在中國 PWR 實施 MOX 燃料應(yīng)用，需要做出特殊安排，例如指定一些專用于 MOX 運行的 PWR 機組，并特別考慮安全相關(guān)參數(shù)，例如安注系統(tǒng)的硼濃度、RCCA 模式、循環(huán)長度、MOX 燃料比等，以保證反應(yīng)堆有足夠的安全裕度。

為避免由于各壓水堆機組改造多樣化和堆芯設(shè)計多樣化而造成的安全裕度不均衡，選擇特定型號的壓水堆機組實施統(tǒng)一的 MOX 燃料循環(huán)是十分必要的。這些選定的機組應(yīng)具有基本相同或相似的反應(yīng)堆設(shè)計，并采用相同的燃料組件類型且實施統(tǒng)一的堆芯設(shè)計和燃料管理。實施過程中首先需要在選定的壓水堆中引入MOX 先導(dǎo)組件（LTA），以建立 MOX 燃料在壓水堆中的技術(shù)和執(zhí)照申請經(jīng)驗以及運行經(jīng)驗。只有在 MOX LTA 的基礎(chǔ)上，才能考慮批量 MOX 燃料換料（約占堆芯的 30%），然后才能逐步實現(xiàn) MOX 燃料與 UOX 燃料等效，即，將 MOX 燃料燃耗提高到 UO2 燃料燃耗水平。

作為替代方案，優(yōu)化的 MOX 燃料（類似于 REMIX 燃料）也可用于壓水堆燃料循環(huán)，以充分利用乏燃料后處理得到的 Pu 和 U（未分離）混合物，并添加一定量的新濃縮鈾。這種燃料的工藝比 MOX 復(fù)雜，但其對鈾資源的利用比 MOX 燃料更充分，整體鈾資源利用效率和最終的高放射性廢物減量更好。

3.3核燃料循環(huán)第二階段：分布式 FR-PWR 二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)

快堆（FR）距離大規(guī)模部署還很遙遠(yuǎn)，因此快堆閉式燃料循環(huán)的實現(xiàn)還很遙遠(yuǎn)?；诔墒斓膲核押巳剂涎h(huán)經(jīng)驗，有必要進(jìn)一步探索將壓水堆閉式核燃料循環(huán)拓展到分布式 FR-PWR 二元（混合）動力與核燃料循環(huán)（簡稱 FR-PWR 二元核燃料循環(huán)），這將更好地推動未來先進(jìn)快堆燃料循環(huán)的過渡、發(fā)展和部署。

分布式 FR-PWR 二元核燃料循環(huán)系統(tǒng)可以充分利用輕水堆及其 MOX 燃料循環(huán)的成熟經(jīng)驗和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，結(jié)合快堆的優(yōu)勢（增殖、中子效率高），避免大規(guī)模快堆燃料循環(huán)不成熟部署的風(fēng)險。在該系統(tǒng)中，快堆和輕水堆的特性可以相得益彰，快堆可以充分利用從輕水堆乏燃料后處理中回收的低品質(zhì)钚，而輕水堆可很好的利用從快堆乏燃料后處理中提取的高品質(zhì)钚。

此外，這種分布式 FR-PWR 二元核燃料循環(huán)系統(tǒng)的規(guī)模靈活，適應(yīng)性廣，系統(tǒng)開發(fā)和部署更容易。該系統(tǒng)可以看作是輕水堆閉式核燃料循環(huán)與快堆閉式核燃料循環(huán)之間的過渡模式。在快堆大規(guī)模部署成熟之前，分布式 FR-PWR 二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)可能是實現(xiàn)先進(jìn)閉式核燃料循環(huán)擴展和過渡的可行途徑。

典型的局部分布式 FR-PWR 二元核燃料循環(huán)系統(tǒng)包括 1FR+1LWR， 1FR+2LWR，等。系統(tǒng)的具體配置取決于反應(yīng)堆設(shè)計和功率容量、Pu 含量、MOX燃料比例和堆芯裝載方案，這些將在下面討論。

4分布式 FR-LWR 二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)的典型配置

4.11FR+2PWR（CPR1000，30% MOX），如圖 1 所示

在圖 1 的系統(tǒng)配置中，F(xiàn)R 中 100% MOX 燃料（典型的 600 MW SFR），2 臺 LWR（CPR1000）中 30% MOX 燃料（每臺 LWR 16 組 MOX 燃料組件）。1/3 換料方式每年排放 104 組乏燃料組件，其中 MOX 乏燃料組件 32 個，UO2 乏燃料組件72 個，每次換料全部乏燃料總 Pu 為 1.21 噸。來自所有LWR 乏燃料后處理的钚用于制造快堆 MOX 燃料。

每臺LWR 使用16 組新MOX 燃料組件（Pu 8.65%），兩臺LWR 需要Pu 1.28 噸。

CPR1000 Pu 的增殖比例約為 0.95（1.21/1.28）。如果 FR 增殖比例在 1.15 ～ 1.2， FR 生產(chǎn)的 Pu 可以滿足圖 1 中二元（混合）核燃料系統(tǒng)持續(xù)運行 Pu 的需要。

4.21FR+1PWR（CPR1000，23% MOX），如圖 2 所示

在圖 2 的系統(tǒng)配置中，F(xiàn)R 中 100% MOX 燃料，1 臺 LWR（CPR1000）中23% MOX 燃料（12 組 MOX 燃料組件）。LWR 的 1/3 換料方式每次換料卸出 52 組乏燃料組件，其中 MOX 乏燃料組件 12 個，UO2 乏燃料組件 40 個。LWR 每次換料全部乏燃料總 Pu 為 0.515 噸。來自 CPR1000 乏燃料后處理的 Pu 用于快堆MOX 燃料制造。

輕水堆使用 12 組新 MOX 燃料組件（Pu 8.65%），需要 Pu 0.477 噸。CPR1000 Pu 的增殖比約為 1.08（0.515/0.477）。如果增殖比例在 1.0 ～ 1.05，F(xiàn)R 生產(chǎn)的 Pu可以滿足圖 2 中二元（混合）核燃料系統(tǒng)持續(xù)運行 Pu 的需求。

4.31FR+1LWR（EPR，30% MOX），如圖 3 所示

在圖 3 的系統(tǒng)配置中，F(xiàn)R 中 100% MOX 燃料，1 EPR 中 30% MOX 燃料（20MOX FA）。1/3 換料方式每次換料卸出 72 個乏燃料組件，其中 MOX 乏燃料組件 20 組，UO2 乏燃料組件 52 組，每次換料所有乏燃料后處理的總 Pu 為 0.912 噸。來自 EPR 乏燃料后處理的 Pu 用于 FR MOX 燃料制造。使用 20 組新 MOX 燃料組件（Pu 8.65%）的 EPR 需要 Pu 0.917 噸。EPR 的 Pu 增值比約為 0.99（0.912/ 0.917）。如果 FR 增殖比在 1.05 ～ 1.1，則 FR 生產(chǎn)的 Pu 可以滿足 1 個 EPR 和 FR使用 Pu 的需要。

圖 3 分布式二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)（1FR+1EPR，30% MOX 燃料）

如果 EPR 中 MOX 燃料占比為 20%，則快堆 BR=1.0 可以滿足圖 3 中二元（混合）系統(tǒng) Pu 的需要。

4.41FR+1LWR（HPR，20% MOX），如圖 4 所示

在圖 4 的系統(tǒng)配置中，F(xiàn)R 中 100% MOX 燃料。1 臺 HPR（“華龍一號”）中 20% MOX 燃料（12 MOX FA）。HPR 采用 1/3 換料方式每次換料卸出 60 組乏燃料組件，其中 MOX 乏燃料組件 12 組，UO2 乏燃料組件 48 組。HPR 每次換料乏燃料后處理得到的總 Pu 為 0.552 噸。HPR 乏燃料后處理產(chǎn)生的 Pu 用于 FR MOX 燃料制造。

使用 12 組新 MOX 燃料組件（Pu 8.65%）的 HPR 需要 0.477 噸 Pu。HPR 增殖比約為 1.16（0.552/0.477）。如果 FR 增殖比在 1.0 左右，則 FR 生產(chǎn)的 Pu 可以滿足 1 臺 HWR 和 FR 使用 Pu 的需要。

如果 HPR 中 MOX 燃料比例為 30%，則圖 4 中二元（混合）系統(tǒng)持續(xù)運行需要 FR 增殖比為 1.1。

對于給定的典型快堆（600 MW），分布式二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)中的快堆需要的 BR 與 LWR 中 MOX 燃料比例的關(guān)系如圖 5 所示，其中所需的快堆 BR 取決于 LWR 中 MOX 燃料的比例以及 LWR 的容量和機組數(shù)量。對于給定的二元

（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)配置，輕水堆中 MOX 燃料的比例越大，對快堆 BR 的要求就越高。對于 LWR 中 MOX 燃料比例相同的系統(tǒng)配置變化LWR 設(shè)計容量越大（如EPR 與 CPR1000；或 LWR 數(shù)量增加，如 1FR+2LWR 與 1FR+1LWR），對快堆 BR 的要求也更高。

如果 LWR MOX 燃料比例在 20% 左右，F(xiàn)R 的增殖比在 1.0 左右就可以維持

二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)中Pu 的需要（平衡），這是由于LWR Pu BR 大于（1 輕水堆中 Pu 凈產(chǎn)出）。

如果快堆的容量和設(shè)計特點不同，本文討論的二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)中快堆所需的 BR 也會相應(yīng)變化。

5長期過渡—模塊化分布式二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)

迄今，人們還沒有足夠的知識對未來最好的（快堆）燃料循環(huán)相關(guān)技術(shù)路線和實施做出合理明確的選擇?；诔墒斓妮p水堆燃料循環(huán)，以及分布式輕水堆和FR 二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)，商業(yè)燃料循環(huán)將經(jīng)歷很長的過渡階段，需要并且值得長期深入探索。

閉式核燃料循環(huán)對于核能的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。人們應(yīng)該在成熟的輕水堆燃料循環(huán)和分布式輕水堆和 FR 二元（混合）核燃料循環(huán)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索和發(fā)展更先進(jìn)的閉式燃料循環(huán)系統(tǒng)。

隨著快堆和分布式二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)的逐步成熟，可以發(fā)展模塊化（組合）分布式核燃料循環(huán)系統(tǒng)，逐步擴大 FR-LWR 二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)的規(guī)模。這一過程至少可以維持到 21 世紀(jì)末。FR-LWR 二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)中的快堆可以是鈉冷快堆、鉛冷快堆或其他快堆，而該系統(tǒng)中的輕水堆可以是百萬千瓦級大型壓水堆，也可以是（模塊化）小型堆。

模塊化分布式二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)示意圖如圖 6 所示。

6未來先進(jìn)核燃料循環(huán)

第四代核能論壇（GIF）于 2002 年發(fā)布的技術(shù)路線圖確定了要探索的六種第四代核技術(shù)：快中子氣冷堆、鉛冷快堆、鈉冷快堆、熔鹽堆、超臨界水冷堆和超高溫反應(yīng)堆。這些反應(yīng)堆概念中的一部分已經(jīng)在一定規(guī)模上得到了驗證或示范，但沒有一個得到充分開發(fā)以實現(xiàn)成功的商業(yè)化應(yīng)用。

人們普遍認(rèn)為，快中子增殖反應(yīng)堆是為可持續(xù)發(fā)展的商業(yè)化核電工業(yè)提供足夠燃料所必需的。人們還對各種其他先進(jìn)反應(yīng)堆和燃料循環(huán)概念進(jìn)行了研究。各種先進(jìn)核概念的研究工作取得了一些成果，但在過去的幾十年中，由于技術(shù)、經(jīng)濟和政治方面的挑戰(zhàn)和困難，一些國家的進(jìn)展并不順利，甚至有起有落。一些典型的先進(jìn)反應(yīng)堆在過去 10 年中取得了一些積極進(jìn)展。一些國家已經(jīng)開發(fā)、建造或運行了示范性鈉冷快堆，例如 BN-800、ASTRID、CDF-600、PRISM 等。這些鈉冷快堆可以使用 MOX 或其他先進(jìn)燃料。鉛（鉛 - 鉍）冷快堆的開發(fā)進(jìn)展看起來很有建設(shè)性，如具有一體化發(fā)電和核燃料循環(huán)設(shè)計特點的 ELFR、MYRRHA、Breast-300，并已在一些國家開發(fā)之中。

隨著快堆技術(shù)逐漸成熟并擴大部署規(guī)模，模塊化 FR-LWR 二元（混合）核燃料循環(huán)可以逐步擴大規(guī)模并過渡到快堆核燃料循環(huán)。

7結(jié)論

結(jié)合國際經(jīng)驗和中國實際，本文研究了閉式核燃料循環(huán)有關(guān)的核燃料與核燃料循環(huán)技術(shù)，分析了國際上商業(yè)化閉式核燃料循環(huán)的成功實踐經(jīng)驗，探了中國未來閉式核燃料循環(huán)的可行模式和發(fā)展路徑，闡述了從我國成熟的商用壓水堆核電廠啟動閉式核燃料循環(huán)作為我國自主化閉式核燃料循環(huán)初始階段的必要性和重要性，對中國自主商業(yè)化閉式核燃料循環(huán)的啟動策略提出了建議。

由于快堆及其快堆核燃料循環(huán)的成熟度還比較低，其商業(yè)化還很遙遠(yuǎn)。核燃料循環(huán)的工業(yè)化是一個非常復(fù)雜的過程，需要循序漸進(jìn)、分階段推進(jìn)。長期以來， 我國運行核電機組、在建和將要建造的核電機組以及核電技術(shù)路線主要是壓水堆技術(shù)。我國的壓水堆技術(shù)成熟，并已形成商業(yè)化規(guī)模。從工業(yè)化、商業(yè)化核自主化的角度來看，如果要將我國閉式核燃料循環(huán)政策推向?qū)嵤╇A段，從成熟的壓水堆啟動商業(yè)化閉式核燃料循環(huán)是不可避免的。

既然中國堅持實施和推進(jìn)閉式核燃料循環(huán)政策，從成熟的商用壓水堆中啟動閉式核燃料循環(huán)無疑是明智的和值得認(rèn)真考慮的。這樣可逐步積累經(jīng)驗，建立自主的商用閉式核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)化體系，為未來實現(xiàn)更先進(jìn)的閉式核燃料循環(huán)打下基礎(chǔ)。實現(xiàn)自主的商業(yè)化閉式核燃料循環(huán)也是中國從核電大國走向核電強國的重要體現(xiàn)。

建議提前做好頂層設(shè)計和規(guī)劃，選擇合適的壓水堆機組，在適當(dāng)?shù)臅r間裝載MOX 燃料或優(yōu)化 MOX 燃料（LTAs）入堆運行，以積累 MOX 燃料設(shè)計、MOX 燃料運行、商業(yè)乏燃料后處理和 MOX 燃料組件制造的全過程經(jīng)驗，逐步建立自主的商業(yè)化閉式核燃料循環(huán)工業(yè)體系。

以壓水堆 MOX 燃料循環(huán)和快堆 MOX 燃料運行經(jīng)驗為基礎(chǔ)，適時開發(fā)部署分布式 FR-PWR 二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)，充分發(fā)揮壓水堆成熟度性和快堆核燃料增殖各自的優(yōu)勢，使分布式 FR-PWR 二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)成為核燃料循環(huán)過渡階段的基本單元。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴大范圍，建立模塊化二元（混合）核燃料循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)而推進(jìn)核燃料循環(huán)的過渡進(jìn)程和規(guī)模，從而為未來的先進(jìn)核燃料循環(huán)打下堅實的基礎(chǔ)。

縮寫詞

NU：天然鈾；RU：回收鈾；BR：增殖比；CPR：中國壓水堆；EPR：歐洲壓水堆；HPR：“華龍一號”；FR：快堆；LWR 輕水堆。

（本文刊載結(jié)束）