乏燃料后处理再循环 PPT

快堆核燃循环
干法后处理的优点：
（1）采用的无机试剂具有良好的耐高温和耐辐照性能； （2）工艺流程简单，设备结构紧凑； （3）试剂循环使用，废物产生量少； （4）Pu与MA一起回收，有利于防止核扩散。
快堆核燃料循环
干法后处理存在的问题：
●设备腐蚀严重； ● 需高温操作; ● 间歇操作,单元设备的生产能力低； ● 分离因子低。
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废物
103 a 104 a 105 a 106 a
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乏燃料
1
后处理HLW
10
除去(Np+Am)
还是
闭式循环? (CLOSED FUEL CYCLE，CFC)
核燃料“一次通过循环”与“闭式循环”
核燃料一次通过循环示意图
核燃料“一次通过循环”与“闭式循环”
乏燃料“一次通过循环”的优点
n 过程简单 一次通过 n 在目前还的铀是价闭条合件循下，环一?次通过循环
的费用比闭式循环低15%左右。
● 有利于防扩散
分离-嬗变
分离/嬗变
（焚烧MAs， LLFPs）
最大限度地减少 废物量及其毒性
嬗变
TRANSMUTATION
● MA的裂变 ● LLFP的中子俘获
● MA的裂变（与Pu的裂变类似）
● LLFP的中子俘获（以I-129为例）
MA的嬗变
n 热堆中的裂变份额较低, 嬗变效率低； 相反，热中子俘获导致MA的积累
后处理/再循环与乏燃料直接处置废物体积比较
热堆燃料循环
热堆燃料循环的优点：
● 铀资源利用率提高20%～30%
● 高放废物体积为乏燃料直接处置的1/4
)每吨乏燃料直接处置的体积
2.0 m3
)每吨高放废物玻璃固化体的处置体积 <0.5 m3
● 高放废物放射性毒性有所降低
高放废物毒性降至天然铀矿水平仍需1万年(中间曲线）
乏燃料一次通过循环的安全处置问题
乏燃料直接处置，需要13万年以上（最上方曲线）
核燃料“一次通过循环”与“闭式循环”
● 构成长期放射性危害的Pu、MA 和LLFP仅占乏燃料 的3-4%左右，乏燃料直接处置不科学
核燃料“一次通过循环”与“闭式循环”
核燃料 “一次通过”循环小结
● 核裂变能可持续发展必须解决两大主要问题： ) 核能资源的充分利用 ) 核废物的最少化
热堆燃料循环
热堆核燃料闭式循环的局限性
分离鈈再循环的问题
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乏燃料
钚各种同位素含量(%)
Pu-238 Pu-239 Pu-240 Pu-241
---------------------------------------------------------------------------UOX 燃料
国家自然科学基金委员会 双清论坛---“核能发展中的关键科学问题”
乏燃料后处理/再循环 及其相关放射化学问题探讨
顾忠茂. 中国原子能科学研究院
(2010/01/13-15)
提要
z 核燃料“一次通过循环”与“闭式循环”
z 核燃料循环相关问题探讨 ) 热堆燃料循环 ) 快堆燃料循环 ) 分离-嬗变 ) 高放废物处置
钚在热堆-快堆循环中的消-长情况
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燃料/反应堆
燃耗(GWd/t)
Pu (kg/a) MA (kg/a)
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n 通过钚的多次循环利用,充分利用铀资源 n 分离-嬗变,焚烧MA和LLFP,实现废物最少化,
大大减少需要地质处置的高放废物体积和毒性， 改善环境质量
快堆核燃料循环
“先进燃料循环”实现途径
n 运行现有的热堆核电厂及其相关的燃料循环设施 （包括后处理，MOX),实现U-Pu在快堆中的再循环；
n 从乏燃料中分离U和Pu外，进一步分离出MA和LLFP， 将其制成燃料或靶件，利用快堆或ADS进行嬗变。
乏燃料一次通过循环的安全处置问题
● 需要建设太多的地质处置库 )预计到2050年，全世界乏燃料积存量将超过 100万吨 )1吨乏燃料，加上外包装后的体积为2m3
● 乏燃料中包含了所有的放射性核素， 如果直接处置，则 其放射性毒性降至天然铀矿水平所需的时间需10几万年！
核燃料“一次通过循环”与“闭式循环”
上世纪90年代提出的行波堆（TWR）概念，据说 无需燃料循环，也能使铀资源利用率可提高几十倍。
但这种“无需燃料循环”的TWR概念在工程上难度 极具挑战性，能否成为今后的“第五代”核能，目前还 无法判断。
快堆核燃料循环
快堆乏燃料后处理－
☞ 水法后处理流程？ ☞ 干法后处理流程？
) 水法-干法组合？
目前尚难最终确定
热堆燃料循环
热堆核燃料闭式循环的局限性
堆后铀的再循环问题
● U-232问题 U-232 子体的强γ辐射（尤其是Tl-208 的γ能量高 达2.6 MeV)，使再转化/再浓缩需要γ屏蔽
● U-236问题 U-236为中子毒剂，使得分离铀在再浓缩时需要达 到更高的浓缩度（增加～10%）
快堆核燃料循环
快堆核燃料循环
快堆核燃料循环
钚在快堆（包括ADS）中循环的优点
● 增殖燃料，使铀资源的利用率提高50∼60倍 多次循环——使核能成为可再生能源
● 嬗变废物，MA和LLFP在快堆中焚烧，使 需要地质处置的高放废物体积和长期毒性降低 1～2个数量级
快堆核燃料循环
与乏燃料一次通过相比不同分离情况的放射性毒性降低因子
核燃料“一次通过循环”与“闭式循环”
燃料循环前段
热堆循环
快堆循环
（FR与ADS燃料循环相同）
核燃料“闭式循环”示意图
热堆燃料循环
热堆燃料循环
热堆燃料循环的优点：
● 再循环一次，铀资源利用率提高20%～30% 分离钚再循环一次，节省天然铀～14% 堆后铀再循环一次，节省天然铀～15%
热堆燃料循环
快堆核燃料循环
两种比较有希望的干法后处理流程：
●熔盐金属电解精炼法----美国西阿贡国家实验室 （ANL(W)）
● 熔盐氧化物电解冶金法----俄罗斯原子反应堆所 （RIAR)
快堆核燃料循环
●熔盐金属电解精炼法----美国西阿贡国家实验室 （ANL(W)）
快堆核燃料循环
●熔盐金属电解精炼法----美国西阿贡国家实验室 （ANL(W)）
分离-嬗变
分离/嬗变 分离 Partition最in大g限度地减少
（L焚L烧FPM●s）A不s仅，要分离U、P废u 物量及其毒性
● 还要分离出MA、LLFP
分离-嬗变
在分分离离方/面嬗，变国际上的主流趋最势大：限度地减少 （●改焚进烧现M有A的sP，UREX流程—废增加物N量p、及T其c等毒的分性离 ●L从L高F放P废s）液中分离MA
● 乏燃料“一次通过”无法实现上述两大目标， 即“一次通过”循环不能实现核能（裂变能）可持续发展
核燃料“一次通过循环”与“闭式循环”
核燃料“闭式循环”
核燃料“一次通过循环”与“闭式循环”
核燃料“闭式循环”与“一次通过”异同点
相同点 —循环前段: ●采矿-水冶-转换-浓缩-燃料加工
不同点—循环后段: n “一次通过”—乏燃料直接处置 n “闭式循环”—热堆循环—HLW处置 —快堆循环—HLW处置
33 GWd/t
1.3
60
24
9
50
2.7
47
26
15
60 MOX燃料
3.5
44
27
15
33GWd/t
1.9
40
32
18
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热堆燃料循环
热堆核燃料闭式循环的局限性
UOX.
PWR
42
30%MOX PWR
36
+200 ~290 平衡
+18.6
100%MOX PWR
50
-330~-415 +100~+160
45% Pu FR
-500
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采用MOX燃料，消耗了Pu，但产生了MA
热堆燃料循环的优点： ● 循环一次，铀资源利用率提高20%～30%
分离钚（MOX）再循环示意图
热堆燃料循环
热堆燃料循环的优点：
● 高放废物体积为乏燃料直接处置的1/4
且高放废物放射性毒性有所降低
)每吨乏燃料直接处置的体积
2.0 m3
)每吨高放废物玻璃固化体的处置体积 <0.5 m3
热堆燃料循环
热堆燃料循环的优点：
已知资源量 推测资源量
还是470万闭吨合（<循130环美元?/kg ) 1000万吨
非常规铀资源
磷矿
2200万吨
海水
40亿吨
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核燃料“一次通过循环”与“闭式循环”