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　　核燃料循環(huán)工業(yè)是一個超長產(chǎn)業(yè)鏈的高端產(chǎn)業(yè)，包括核燃料循環(huán)的前端技術(shù)，如鈾資源開采技術(shù)、鈾轉(zhuǎn)化技術(shù)、鈾濃縮技術(shù)、核燃料組件制造技術(shù)等；核燃料循環(huán)的后端技術(shù)，如乏燃料后處理技術(shù)等。

　　核燃料技術(shù)的發(fā)展

　　一、鈾資源開采技術(shù)

　　目前，世界范圍內(nèi)的鈾礦開采主要有3種方法：露天開采、地下開采和原地浸出法（ISR）。

　　露天采礦主要在澳大利亞、尼日爾、納米比亞等地采用，這些地方的鈾礦床相對比較接近地表，可采用爆破、反鏟挖土機和自動傾卸卡車挖取。而像加拿大薩斯喀徹溫省北部的阿薩巴斯卡流域，則采用地下開采技術(shù)。

　　露天采礦和地下采礦都是比較困難的巖石采礦法。

　　原地浸出法也稱為溶液采礦法。這種方式對地表不會有太大影響，也沒有殘渣和廢石產(chǎn)生。美國的原地浸出法主要采用碳酸鈉溶液，而澳大利亞和哈薩克斯坦主要采用硫酸。

　　第四種開采法是鈾礦作為其他礦物開采的副產(chǎn)物或共產(chǎn)物而被開采出來。而鈾作為共產(chǎn)物，世界上最大的一個礦山是澳大利亞的必和必拓屬下的奧林匹克壩礦山。該礦可同時開采出約80%的銅、約20%的鈾和少量的金（<1%）。

　　2013年，鈾產(chǎn)品采礦總產(chǎn)量中地下開采17198tU，占比29%；露天開采10977tU，占比18%；原地浸出27496tU，占比46%；副產(chǎn)品3966tU，占比7%。

　　二、鈾轉(zhuǎn)化技術(shù)

　　按照轉(zhuǎn)化對象不同，鈾轉(zhuǎn)化分為天然鈾轉(zhuǎn)化、濃縮鈾轉(zhuǎn)化和貧鈾轉(zhuǎn)化三類。

　　世界上建有鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)的國家有美國、英國、法國、加拿大、澳大利亞、印度、巴基斯坦、南非、西班牙、俄羅斯和中國。

　　長期以來，由于國際鈾轉(zhuǎn)化價格低迷，鈾轉(zhuǎn)化在核燃料循環(huán)中所占比重很小，使得各國在鈾轉(zhuǎn)化技術(shù)改進投入不足，局限于現(xiàn)有工藝的挖潛。隨著核電在世界范圍內(nèi)復(fù)興，加上俄羅斯高濃鈾協(xié)議到期，鈾轉(zhuǎn)化的需求將不斷增長，已有多家大公司規(guī)劃提升鈾轉(zhuǎn)化產(chǎn)能。其中AREVA集團決定投資6億歐元建造現(xiàn)代化的鈾轉(zhuǎn)化設(shè)施，稱為ComurhexⅡ。ComurhexⅡ的生產(chǎn)能力為15000~20000tU/a。該項目綜合了世界鈾轉(zhuǎn)化的先進技術(shù)，結(jié)合法國鈾轉(zhuǎn)化廠幾十年的運行經(jīng)驗和鈾轉(zhuǎn)化技術(shù)研究成果和最新技術(shù)創(chuàng)新，采用脫硝技術(shù)替代硝酸鈾酰氨水沉淀和煅燒工序，不再消耗氨水和不再產(chǎn)生結(jié)晶母液，而且脫硝產(chǎn)生的氮氧化物回收成硝酸，實現(xiàn)物料的循環(huán)利用。因此，脫硝技術(shù)的采用和硝酸根回收系統(tǒng)的設(shè)計，使AREVA鈾轉(zhuǎn)化工廠縮短了生產(chǎn)流程，降低了試劑消耗，減少了廢液、廢氣的排放，使其生產(chǎn)技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先地位。這也是世界鈾轉(zhuǎn)化發(fā)展的趨勢。

　　在制造核電廠用燃料組件過程中，目前國際上采用五種鈾轉(zhuǎn)化工藝流程：重鈾酸銨轉(zhuǎn)化流程（ADU）、三碳酸鈾酰銨流程（AUC）、全干法流程（IDR）、流化床法（FBP流程）和火焰反應(yīng)法。目前世界上用ADU法生產(chǎn)反應(yīng)堆用UO2的占42%，用AUC法的占23%，用各種干法流程生產(chǎn)的占35%。

　　堆后鈾（后處理回收的鈾）的轉(zhuǎn)化工藝，與天然鈾轉(zhuǎn)化基本相同，以便鈾的重新富集再利用。

　　三、鈾濃縮技術(shù)

　　國際上比較成熟并已用于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的鈾濃縮技術(shù)有氣體擴散法和氣體離心法，激光同位素分離法還處于工程研發(fā)階段。

　　氣體擴散法是早期的濃縮技術(shù)，已逐步被氣體離心法所替代。全球最后一個大型的氣體擴散廠――美國鈾濃縮公司（USEC）的帕度卡工廠已于2013年關(guān)閉。

　　而氣體離心技術(shù)是目前世界范圍內(nèi)的主導(dǎo)濃縮技術(shù)，至少有9個國家擁有商業(yè)用濃縮離心廠。

　　鈾濃縮的激光同位素分離技術(shù)，一類是原子蒸汽激光同位素分離（AVLIS），另一類是分子激光同位素分離（MLIS）和同位素選擇性激光活化化學(xué)反應(yīng)（CRISLSA）。激光同位素分離法的能量利用效率要超過離心技術(shù)。該技術(shù)最早由澳大利亞SILEX系統(tǒng)公司組成的科研團隊研發(fā)，目前歸通用電氣、日立和卡梅科所屬的聯(lián)營公司擁有，計劃將在美國建成新的實驗回路和中間工廠，分階段實現(xiàn)商業(yè)化。

　　四、核燃料組件制造技術(shù)

　　就壓水堆核燃料組件而言，美國西屋公司、法國AREVA公司及俄羅斯TVEL公司占據(jù)了大部分國際壓水堆燃料組件市場，成為世界上三大技術(shù)主流。

　　從2003年開始，韓國開始了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的HPF組件研制，該組件預(yù)計于2015年開始商業(yè)供應(yīng)。此外，韓國原子能研究院還自主研究開發(fā)了高性能HANA鋯合金，預(yù)計于2016年投入韓國核電廠正式使用。

　　MOX燃料組件在壓水堆核電廠中的應(yīng)用已有多年的商業(yè)實踐經(jīng)驗，其應(yīng)用的國家和核電廠數(shù)量正在不斷增加。因此，它的設(shè)計制造和使用方面的研究是元件發(fā)展的重要內(nèi)容。國外先后共建造了24座MOX燃料工廠，其中，輕水堆MOX燃料廠和快中子增殖堆的MOX燃料廠各占一半，已取得生產(chǎn)許可證的有12座。

　　除了壓水堆燃料組件與MOX燃料組件以外，由加拿大與韓國合作開發(fā)研制的CANFLEX重水堆燃料組件、加拿大原子能公司研制的稍加濃鈾CANDU燃料組件（SEU）、釷燃料組件也在研究開發(fā)之中。目前，世界上有加拿大、韓國、印度、羅馬尼亞、中國、巴基斯坦、阿根廷7個國家生產(chǎn)重水堆燃料組件。與此同時，世界上還對第四代核電的六種核能系統(tǒng)燃料組件進行了研究和開發(fā)，為今后核能技術(shù)發(fā)展做好新的準(zhǔn)備。

　　在燃料組件包殼研制方面，主要集中在開發(fā)耐腐蝕性能、吸氫性能、力學(xué)性能好及輻照尺寸穩(wěn)定的材料。當(dāng)前已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用的有法國的M5合金、美國的Zirlo合金、俄羅斯的E110等；處于試驗階段和即將商業(yè)應(yīng)用的有俄羅斯的E635合金、日本的NDA合金和韓國的HANA合金。

　　輕水堆燃料組件的上、下管座進一步研究改進主要是繼續(xù)降低壓降和降低不銹鋼用材的鈷含量，以提高熱工水力性能和減少工作人員的輻射劑量。定位格架的進一步改進是繼續(xù)提高熱工水力性能。導(dǎo)向管進一步優(yōu)化設(shè)計和制造工藝，使之性能進一步適應(yīng)高燃耗燃料組件的發(fā)展。燃料棒是歷年來投入最多、取得經(jīng)驗和成果最為豐富的部件，也是進一步研究與發(fā)展的重點。繼續(xù)提高燃耗和解決高燃耗帶來的問題，仍是燃料棒進一步研究與發(fā)展的主題與動向。

　　五、乏燃料后處理技術(shù)

　　從20世紀(jì)40年代起，世界上開發(fā)了大約40余種后處理流程，先后建成了40余座后處理設(shè)施。目前可用于民用后處理乏燃料的總額定能力為5000tHM，包括后處理研究堆乏燃料的小型后處理設(shè)施和提供國際商業(yè)服務(wù)的大型后處理廠。

　　化學(xué)分離純化過程是乏燃料后處理的主要工藝階段，根據(jù)是否在水介質(zhì)中進行分為濕法和干法兩大類。在早期的后處理研究中，一般認(rèn)為干法流程比濕法流程優(yōu)越。然而，干法流程也有許多缺點，因而阻礙了它的普遍應(yīng)用。PUREX濕法后處理流程已被廣泛應(yīng)用，是目前各國用來對核電廠乏燃料進行后處理的工藝流程。

　　先進的后處理技術(shù)的研發(fā)要著重以下方面：與開放式核燃料循環(huán)中乏燃料直接地質(zhì)處置的費用相比，要減少后處理成本；回收所有錒系元素和長壽命裂變產(chǎn)物，以減少需處置的廢物的體積和毒性；建立適應(yīng)性強的技術(shù)，其中包括新型式和結(jié)構(gòu)的燃料、第三和第四代反應(yīng)堆、高燃耗的乏燃料等；再循環(huán)所有的可裂變產(chǎn)物（減少核擴散的風(fēng)險），作為最終結(jié)果會改善公眾對核能的接受程度。

　　核燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

　　一、核燃料循環(huán)前端

　　從目前世界范圍內(nèi)鈾礦生產(chǎn)成本分析，約78%的鈾礦山的生產(chǎn)成本低于130美元/kgU，這一生產(chǎn)成本與當(dāng)前的長期期貨價相當(dāng)。對比2030年以前的資源量需求，全球生產(chǎn)成本小于80美元/kgU的已查明的低成本鈾資源量可基本滿足至2030年的天然鈾需求；生產(chǎn)成本小于130美元/kgU的已查明的中成本鈾資源量可基本滿足至2050年的天然鈾需求。

　　未來對鈾市場具有重要影響的因素還有：新反應(yīng)堆建設(shè)的增長需求、特大鈾礦項目投產(chǎn)、大規(guī)模存貨時代即將結(jié)束、金融機構(gòu)對市場影響增加。

　　對于鈾轉(zhuǎn)化市場來說，需要更高的價格或補貼來激勵新工廠的建設(shè)。

　　鈾濃縮市場的趨勢正在發(fā)生較大變革。亞洲將成為主要的新增分離功供應(yīng)市場。2013年，持續(xù)20多年的美俄高濃鈾協(xié)議結(jié)束，但市場主要依靠大部分的首次供應(yīng)。其它二次資源，如再加工鈾及MOX燃料在未來10年內(nèi)仍不能扮演重要角色。

　　燃料組件市場正向著合并和國際聯(lián)盟的方向發(fā)展，未來燃料組件市場將長期處于供大于求的局面，燃料合同特別是新反應(yīng)堆的燃料合同可能會實行全段燃料捆綁，即鈾、鈾轉(zhuǎn)化、鈾濃縮和組件制造相結(jié)合。

　　二、核燃料循環(huán)后端

　　1.乏燃料后處理

　　相對于核燃料循環(huán)前端和核電產(chǎn)業(yè)的逐步走向市場化，核燃料循環(huán)后端（尤其是后處理）始終由各國政府主導(dǎo)，置于國家控制之下，但這并不代表各國將拋棄核燃料循環(huán)后端的市場化。決定各國是否實行乏燃料后處理政策的主要因素有五個，分別為：鈾資源供應(yīng)情況、國土承受能力、國際政治博弈、反恐和防止核不擴散、后處理的經(jīng)濟性。

　　后處理最大的不利包括：全球豐富的分離钚并未計劃被回收；法國有一個年處理能力850噸的閑置廠房；目前的輕水堆并不需要太多钚，而是需要分析和適應(yīng)使用MOX燃料；MOX燃料的制造昂貴；美國的政策可能會將后處理變回到消極的立場；公眾以及防擴散團體繼續(xù)反對后處理。

　　從全球來看，擴大后處理的障礙包括技術(shù)問題、經(jīng)濟挑戰(zhàn)以及防擴散問題。因此，未來核燃料循環(huán)的后端市場預(yù)計只能緩慢增長，特別是未來20年，天然鈾燃料的成本仍具吸引力。

　　2.乏燃料和高放廢物管理

　　在IAEA看來，乏燃料的長期暫存已被視為一種儲存管理的步驟，但不是最終策略。先進燃料循環(huán)技術(shù)、快堆技術(shù)并不能改變對廢物最終處置的需求。乏燃料及高放廢物的深地質(zhì)處置作為一種安全、永久、可靠的隔離高放物質(zhì)處置模式已得到了廣泛的認(rèn)可。

　　在歐盟范圍內(nèi)，安全管理乏燃料和放射性廢物指令于2011年頒布實施。根據(jù)該指令，在一般情況下，乏燃料和放射性廢物必須在產(chǎn)生它的成員國內(nèi)處置。指令允許在歐盟國家之間共享處置設(shè)施。

　　美國藍帶委員會（BRC）于2012年1月29日向美國能源部提交了一份正式報告，提出了美國當(dāng)前核廢物管理的八條建議：美國需要一個新的、取得共識的未來核廢物管理設(shè)施的選址策略；成立一個新的、專門負(fù)責(zé)核廢物管理項目的機構(gòu)；合理管理與使用核廢物基金；盡快建設(shè)第二個最終地質(zhì)處置設(shè)施；建設(shè)中間貯存設(shè)施，對核電站的乏燃料進行安全轉(zhuǎn)移；對將來可能出現(xiàn)的大規(guī)模乏燃料和高放廢物往中間貯存設(shè)施或最終處置設(shè)施的運輸早做準(zhǔn)備；支持核能科技創(chuàng)新和人才培養(yǎng)；美國需要繼續(xù)在國際核安全、核廢物管理、防核擴散及安全工作方面積極擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)角色。

　　3.后端市場前景預(yù)測

　　按照2010年美元幣值對核燃料循環(huán)后端市場2008~2030年的全部費用進行的評估，其間每年的市場份額約為80~100億美元，2008~2030年總計約2000億美元。其中，核設(shè)施退役占比最多，約55%；其次是乏燃料后處理，占比約25%；中低放廢物處理處置、乏燃料干式貯存、高放廢物處理處置分別占7.3%、6.2%和5.7%。

　　隨著第一代反應(yīng)堆和燃料循環(huán)設(shè)施的關(guān)閉和停止運營，退役市場的規(guī)模已經(jīng)達到約50億美元/年。以2010年美元幣值計算，每年以1.25%的速率緩慢增長，至2030年將達到60億美元左右。全球退役市場目前的趨勢是，新退役公司的入圍，公司的合并與合作提高了服務(wù)廣度，國際市場向更多公司開放。

　　以2010年美元幣值計算，放射性廢物處理與處置的市場費用每年以1.25%的速率逐步上升。當(dāng)前放射性廢物處理與處置的趨勢是，單位費用極大地增加。放射性廢物管理方面的服務(wù)供應(yīng)商正在開發(fā)新技術(shù)以更好地對廢物進行分類和隔離，廢物產(chǎn)生者也正在開發(fā)和采用更好的方法來確定廢物源并減少廢物量。同時，他們也在不斷尋求方法以減少電廠運行時他們對放射性廢物管理和處置方面的責(zé)任，以及電廠最終退役時的責(zé)任。另外，核電廠設(shè)計者們正在采取更好的工藝和方法以減少電廠運行期間產(chǎn)生的放射性廢物量。