MOX燃料元件制造

1、MOX燃料的生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀摘要：MOX燃料制造是“核燃料閉式循環(huán)”的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，MOX燃料的發(fā)展戰(zhàn)略對于乏燃料后處理具有重要意義。本文簡要回顧了MOX燃料的發(fā)展史，綜述了輕水堆MOX燃料和快堆MOX燃料的生產(chǎn)和應(yīng)用狀況，并介紹了MOX燃料的制備技術(shù)，最后展望了我國發(fā)展MOX燃料的前景以及現(xiàn)實意義。1. MOX燃料發(fā)展簡史MOX燃料是一種混合的鈾-钚氧化物燃料(mixed uranium-plutonium oxide fuel)的簡稱。二十世紀(jì)六十年代初，一些國家基于“快中子增殖堆能產(chǎn)生比其所消耗還要多的易裂變材料”這一概念，預(yù)計到這種新堆型將給人類帶來美好的能源前景時，確立了發(fā)展怏堆的技術(shù)路

2、線。比利時、法國、美國、德國、意大利等國紛紛建立了钚實驗室，開始進(jìn)行乏燃料后處理，開發(fā)供快堆使用的MOX燃料。七十年代初，法國和美國率先在實驗快堆內(nèi)考驗了MOX燃料組件。與此同時，德國、瑞士、法國、英國也開始在輕水堆內(nèi)引入MOX燃料組件。截止到八十年代，大多數(shù)已建成的快堆都成功地使用了MOX燃料。然而八十年代中期以后，由于技術(shù)、政治和經(jīng)濟等方面的諸多原因，世界范圍內(nèi)快堆發(fā)展計劃受挫，許多國家取消或推遲了快堆發(fā)展進(jìn)程，從而促使歐洲一些國家改變策略，把工作的重心轉(zhuǎn)移到在輕水堆中實施MOX燃料的再利用和再循環(huán)，以消耗因發(fā)展快堆MOX燃料而貯存的大量钚。在這一時期，他們著重研究了在輕水堆(LWR)(含

3、壓水堆(PWR)和沸水堆(BWR)以及重水堆(HWR)電站中使用MOX燃料的技術(shù)條件，使之在輕水堆電站中的應(yīng)用達(dá)到了工業(yè)規(guī)模。2. MOX燃料的生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀截止到2007年，全世界已有5個國家的40座以上的LWR獲得了MOX再循環(huán)許可。其中，法國20座，德國12座，瑞士4座，比利時2座，日本2座，大約30多座MOX燃料熱堆在運行。據(jù)統(tǒng)計，有33座LWR已裝有MOX燃料并投入使用，其中包括31座PWR，2座BWR（位于德國）。由于輕水堆MOX燃料與快堆MOX燃料在制造時，芯塊中PuO2與UO2的比例、元件棒包殼材料和燃料組件結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，現(xiàn)將兩種不同類型MOX燃料的生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀予以分述。2.

4、1 輕水堆-MOX燃料生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀 根據(jù)2007年IAEA統(tǒng)計，全世界運行的商業(yè)核反應(yīng)堆機組共435套，總裝機容量為3.69×105MWe，每年約需6.65萬噸鈾。預(yù)計到2025年。世界核電裝機容量將增至4.49-5.33×105MWe屆時鈾的需求量將增至8.2-10.1萬噸?，F(xiàn)役核電站反應(yīng)堆除使用UOX燃料外，也使用了MOX燃料。截止到2000年，己有2200套以上的MOX燃料組件在法國、德國和比利時等國家的33個PWR和BWR機組中使用，平均燃耗達(dá)40GWdHM/t。實踐證明在輕水堆中循環(huán)利用MOX燃料可達(dá)到與UOX相似的性能。目前世界上正在運行的制造輕水堆-MOX燃

5、料廠有：法國的卡達(dá)拉希廠(CFCa)和梅洛克斯廠(MELOX)，英國的塞拉菲爾德廠(Sellafield)，日本的東海村和六所村廠，俄羅斯的車?yán)镅刨e斯克聯(lián)合企業(yè)。MOX燃料的制造工藝業(yè)已日臻完善，并積累了工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗。2.2 快堆-MOX燃料生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀 1946年世界上首座實驗快堆，美國克列門汀(Clementine)達(dá)到臨界(額定熱功率為25kW)。1951年美國EBR-1實驗快堆首次實現(xiàn)發(fā)電(額定熱功率1200kW，發(fā)出電功率200 kW)。到1980年美國又建成各種目的快堆6座。截止到上世紀(jì)末，美國、俄羅斯、法國、英國、德國、日本和印度等七個國家，共計建成大小鈉冷快堆18座，積累了3

6、00多堆·年的運行經(jīng)驗。其中俄羅斯積累了125堆·年的運行經(jīng)驗，約占40，在可靠性、安全性和經(jīng)濟性方面保持了較高的水平。特別是BN-600原型快堆電站已運行24年，平均負(fù)荷因子超過了74。目前尚有四個國家，即法國、俄羅斯、日本和印度有快堆仍在運行。至于英、美和德國都曾發(fā)展過快堆和相關(guān)MOX燃料制造工藝，但是這些設(shè)施均先后披拆除或封存起來。3. MOX燃料的制備技術(shù) MOX燃料的制備工藝與UO2燃料類似，都是長度和直徑約10mm的陶瓷塊，用鋯臺金管作包殼材料。所不同的是MOX燃料的原料為UO2粉末和PuO2粉末，需充分混合均勻，并在燒結(jié)時形成UO2和PuO2的固溶體。另外由于

7、钚的極毒性和臨界質(zhì)量極小，所以MOX燃料生產(chǎn)設(shè)施，防護(hù)條件比U02燃料苛刻得多。其生產(chǎn)工藝流程見下圖：3.1國外MOX燃料的制備技術(shù)概況 MOX燃料元件的制備過程主要包括氧化物粉末的混合、芯塊制備、燃料棒制造和元件組裝等工序。MOX燃料棒的制造工藝有芯塊法和振動密實法兩種工藝路線，無論是在加工工藝方面，還是在性能測試、理化檢測方面國外均已建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)用振動密實法進(jìn)行燃料棒制造時，最重要的就是先得到成分均勻的混合氧化物燃料粉末；當(dāng)用芯塊法進(jìn)行燃料棒制造時，MOX燃料芯塊的制備是MOX燃料元件制造的核心。 目前，MOX燃料棒的制造大多采取芯塊法，即先制備氧化物燃料粉末，再通過成型壓制和燒結(jié)

8、等工序進(jìn)行MOX芯塊的制備，最后，將芯塊裝管、端塞焊接制成MOX燃料棒。其中，MOX燃料粉末的制備工藝大致可分為干法和濕法兩種。干法即機械混合法，包括比利時的MIMAS和MIGAR、英國的SBR、法國的COCA和德國的OCOM等方法，工藝都比較成熟，是最早發(fā)展起來的工藝，已達(dá)工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，法、比、德、英、俄等國均采用過干法工藝進(jìn)行MOX燃料元件的制造。法國CO-GEMA公司在MIMAS工藝基礎(chǔ)上,建立了更為先進(jìn)的A-MIMAS工藝,以適應(yīng)MELOX廠大規(guī)模生產(chǎn)需要。美國的FFTF工藝也是干法工藝。俄羅斯還對轉(zhuǎn)化钚的高溫化學(xué)工藝（熔鹽法）進(jìn)行了深入的研究。濕法即共轉(zhuǎn)化法，包括共沉淀法、直接脫硝法

9、和溶膠-凝膠法等，其中德國的AUPuC工藝、俄國的草酸鹽沉淀法和氨基共沉淀法、法國的NITROXFA法以及日本的微波加熱脫硝法都是典型的濕法制備MOX燃料粉末方法，英國也曾用溶膠-凝膠法制備氧化物顆粒，再利用振動密實法制備快堆燃料元件，但這種方法未被廣泛應(yīng)用。在以上MOX燃料干法和濕法制造工藝中，最為典型的當(dāng)數(shù)比利時開發(fā)的MIMAS工藝，以及德國開發(fā)的AUPuC工藝，其他各國開發(fā)的工藝都與此兩種工藝采用的技術(shù)相似。下面對這兩種工藝進(jìn)行簡單的介紹。3.1.1 MIMAS工藝該工藝的第一步是用球磨機將UO2+30PuO2粉末進(jìn)行球磨，球磨時問一般為5h。第一步是用高效混臺器將第一步得到的主混合粉末

10、與剩余的UO2粉末進(jìn)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。MIMAS工藝規(guī)定最大富钚顆粒尺寸不超過150m。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。3.1.2 AUPuC工藝 AUPuC工藝流程示意圖如下 料液是反應(yīng)堆乏燃料后處理廠產(chǎn)生的硝酸钚和硝酸鈾酰溶液。2種溶液以需要的比例混合,進(jìn)行共轉(zhuǎn)換,制得含钚40 %的可溶性混合氧化物粉末。3.2我國MOX燃料芯塊制備技術(shù)研究進(jìn)展我國對MOX燃料技術(shù)的研究起始于20世紀(jì)80年代，發(fā)展相對較晚。受項

11、目技術(shù)難度大、MOX燃料應(yīng)用目標(biāo)不十分明確和經(jīng)費制約等因素影響，當(dāng)前我國對MOX燃料的研究與國際發(fā)達(dá)水平還有較大的差距。但從總體上看，還是取得了相當(dāng)大的進(jìn)步：自行設(shè)計并于2007年開始建設(shè)我國第一條MOX燃料芯塊制備工藝試驗線和分析檢測線；確立了我國的MOX燃料芯塊制備工藝流程，通過球磨、制粒、混料、壓制、燒結(jié)等工藝試驗，掌握了芯塊制備的關(guān)鍵技術(shù)，研制出以CeO2替代PuO2的模擬MOX燃料芯塊；建立了MOX燃料粉末和芯塊性能檢測的分析裝置和方法（粉末的性能包括粒度、比表面積、松裝密度、振實密度、混合均勻性、雜質(zhì)含量等，芯塊的性能包括密度、氣孔率、氣孔尺寸、晶粒尺寸、元素分布均勻性、O/M比等

12、），并通過大量模擬樣品的性能測試，積累了分析檢測經(jīng)驗?？偠灾ㄟ^以上技術(shù)研究，積累了較為豐富的技術(shù)經(jīng)驗，培養(yǎng)了一批專業(yè)科研人才，為開展含钚MOX燃料芯塊和單棒研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，使我國MOX燃料元件技術(shù)研究向前邁開了一大步。下圖是我國MOX燃料芯塊制備的工藝流程：4.我國發(fā)展MOX燃料的前景 近年來，我國核電發(fā)展較為迅猛，根據(jù)國家有關(guān)發(fā)展規(guī)劃預(yù)測，到2020年投運核電的裝機容量達(dá)到40 GW，占全國總裝機容量的4%，核電占全國總發(fā)電量的6%。資料表明，一座1000 MW的壓水堆在40年的壽期中共需要6040t天然鈾，2005年我國運行的核電機組達(dá)到了8.7GW，共需使用天然鈾52500 t

13、。這就意味著要維持核電站正常運營，將需要更多的天然核燃料來加以支撐。由此可見，在我國發(fā)展目前使用的天然核燃料替代燃料MOX燃料的需求非常大。 從輕水堆燃料循環(huán)的經(jīng)濟性來看，利用核燃料后處理提取钚是非常有效的策略。隨著钚量的增加，對钚最有效的和平利用途徑就是制成MOX燃料元件。如果對乏燃料中的钚棄置不用，不但不能解決核燃料資源不足的問題，每年還將支付相當(dāng)大的費用貯存這些钚。鑒于反應(yīng)堆更高的燃耗深度，將幾年前的約30 000 MW·d/t的燃耗提高到現(xiàn)在的50 000 MW·d/t以上，MOX的利用就變得更加有吸引力。相對于相對低廉的鈾價格來說，后處理分離钚制造MOX進(jìn)行回用本

14、身并不經(jīng)濟，但考慮進(jìn)行乏燃料管理的費用，分離钚的成本就又變得十分便宜了。7 個UO2燃料組件生成1個MOX組件和一些玻璃固化高放廢物，其結(jié)果是使乏燃料處置的體積、數(shù)量和費用約下降65%。 中國實驗快堆（CEFR）對MOX燃料的需求迫切。國際上熱堆的鈾資源利用率只有1%左右，而通過快堆及MOX燃料循環(huán)可以將鈾資源利用率提高6070倍。國際上已有20多座快堆的設(shè)計建造經(jīng)驗和300堆年的快堆運行經(jīng)驗，從工程技術(shù)上看，國際上快堆發(fā)展經(jīng)歷過實驗快堆、原型快堆、示范快堆的完整階段。中國實驗快堆（CEFR）經(jīng)過近15年的研發(fā)，即將臨界投入運行。但由于我國沒有MOX燃料，目前不得不使用從俄羅斯進(jìn)口的高富集度U

15、O2燃料，這將影響我國快堆技術(shù)的發(fā)展。因此，急需開展CEFR-MOX燃料的研發(fā)，盡快過渡到使用MOX燃料堆芯裝料，獲得使用MOX燃料的經(jīng)驗和技術(shù)，從而加快我國快堆技術(shù)發(fā)展與核能“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)程。無論用于輕水堆，還是用于快中子堆，MOX燃料的應(yīng)用可實現(xiàn)核燃料的閉合循環(huán)，并減少钚的貯存費用，有利于環(huán)境保護(hù)。同時也可提高鈾資源利用率，解決我國鈾資源并不豐富的問題。這種新型可增殖核燃料技術(shù)是我國實施核能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，對我國核電事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。參考文獻(xiàn):1 李銳.，周洲. MOX燃料的特點、制備工藝、應(yīng)用現(xiàn)狀與研究新進(jìn)展. 第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第2分冊）2010.10.152 白云田. 鈾钚混合氧化物的制造工藝. 原子能科學(xué)技術(shù). 1