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【前沿•坎杜堆】先进燃料循环坎杜堆: 超越天然铀燃料循环

发布时间：2015-8-5 12:03

先进燃料坎杜重水堆(AFCR)是目前唯一一种能够使用堆后铀（即通过后处理从乏燃料中回收的铀）和钍基燃料、且能满足后福岛要求的第三代反应堆设计。它由加拿大坎杜能源公司( Candu Energy)与中国核工业集团公司秦山第三核电有限公司、中核北方核燃料元件有限公司以及中国核动力研究设计院合作开发，已完成概念设计，正准备向中国市场推广。

该堆型是在最近完成下述两项工作之后开发的: 中国秦山在运坎杜堆机组成功完成天然铀当量( NUE) 燃料试验性辐照以及提交了进行满堆芯天然铀当量燃料装料的许可证申请。天然铀当量燃料是使用堆后铀和铀浓缩厂贫铀尾料制成的燃料。

AFCR 是在坎杜堆中实现先进燃料装料的下一步行动。这一设计给各核电公司及其干系人造成的技术风险最低。

先进燃料坎杜重水堆

AFCR 是一种740 MWe 重水慢化和重水冷却压力管式反应堆，从已在5 个国家( 跨4 个大陆) 得到商业应用、并拥有超过150 堆·年安全运行经验的坎杜6 型反应堆发展而来。近年来，坎杜6 已屡次位列世界最佳运行实绩反应堆。

AFCR 可以使用先进燃料: 堆后铀衍生物( DRU) 燃料和低浓铀/钍( LEU/Th) 燃料。DRU 燃料是镝和堆后铀的混合物，其中的铀-235 丰度略高于天然铀，可实现更高燃耗。这种燃料可减少对天然铀的依赖，并为在一种已得到商业验证的反应堆设计中高效和经济地使用堆后铀提供了机会。

AFCR 可适用于所有电网，既保持了坎杜堆设计的成熟特性，同时又纳入了可提高安全性和运行实绩的创新特性和改进，包括:

基于成熟工程实践的坚固机组设计，可确保在所有运行工况和事故工况下实现基本安全功能;

· 得到加强的附加纵深防御，可预防和缓解事故;

· 得到加固的厂房，可加强对恶意行为的防护;

· 得到改进的固体、液体和气体废物管理系统，可实现减排;

· 先进的控制室设计，可提高机组的可操作性和可维护性;

· 基于加拿大和中国标准的消防系统改进;

· 现代化数字分布式控制、机组显示和安全监测系统以及模块化可编程数字控制器网络( 使用了具有高可靠性和安全性的数据传输方法) ，可将操作员行动需求降至最低;

· 硬件及工艺改进，可降低运行和维护费用;

· 得到升级改造的应急供电系统，可使该系统能够在全厂断电事故发生时自动启动。

此外，还基于运行经验反馈、客户要求和后福岛改进措施，对AFCR 进行了许多其他改进。

更广阔的前景

AFCR 可与轻水堆等其他堆型协同运行，并能够使用替代燃料，以从资源的循环利用中( 4台轻水堆机组名义上可提供1 台AFCR 机组的装料) 获得更多的能量。

研发AFCR 的主要动因是: 通过使用DRU 燃料和低浓铀/钍燃料，提高中国燃料资源的可持续性和可利用率。与使用传统天然铀燃料的反应堆相比，在AFCR 中使用DRU 燃料可将核燃料循环前端成本降低约32%; 与具有代表性的先进轻水堆设计相比，核燃料循环前端成本可降低约128%。低浓铀/钍燃料的核燃料循环前端成本与DRU 燃料相当。

这种出众的资源利用能力对于铀资源量有限的国家尤其具有吸引力。对于拥有丰富钍资源的国家，使用AFCR 将能够大幅降低对海外铀的依赖性。

此外，低浓铀/钍燃料的成功示范为未来使用更先进的钍燃料奠定了基础，例如具有更强经济性和更高资源利用率的钚/钍燃料。

实现闭式燃料循环

预计AFCR 未来将朝着使用天然铀当量燃料、DRU 燃料和低浓铀/钍燃料的方向前进，最终将会使用替代燃料以及与核材料循环使用相关的基础设施。对铀基和钍基乏燃料进行后处理，将分别能获得可供循环使用的易裂变材料钚和铀-233。成功实现这一过程将是在实现闭式燃料循环过程中的一个重大步骤。

随着AFCR 运行和技术经验的不断积累，将可以不断提高对自然资源的利用率，直至对乏燃料中的有用材料进行近100%的循环使用。这一发展前景将鼓励运营商在现有核电机组中对乏燃料进一步再利用，并研发规模更大的AFCR 机组。而这些机组能够在大幅降低废物流数量的同时，逐步降低对天然铀燃料的依赖，最终可能实现不需要使用天然铀燃料。

堆芯和燃料设计

AFCR 使用CANFLEX 燃料棒束作为DRU 燃料和低浓铀/钍燃料的燃料载体。这种棒束由43 个元件组成: 42 个元件围绕1个中心元件呈3 个同心圆环布置( 详见图2) 。中心元件和7 个内环元件的直径大于2 个外环中的另外35 个元件。

在DRU 燃料棒束中，三个外环中的42个元件均由堆后铀制成，其中的铀-235 含量为0. 95% ( 质量) ，而中心元件是堆后铀与三氧化二镝的混合物。在低浓铀/钍燃料棒束中，2个外环中的35 个元件均由低浓铀制成，7个内环元件和中心元件均含有二氧化钍。相对于传统的由37 个元件组成的天然铀燃料棒束，CANFLEX 在燃料利用率、热工水力性能、燃料完整性和总体安全性方面均有显著提升。

AFCR 在使用DRU 燃料或低浓铀/钍燃料时，燃耗可分别达到10 GWd /tHE 和20 GWd /tHE。相对于传统的天然铀燃料分别提升约40%和180%。

通过降低燃料元件的线功率和提升临界热流密度，CANFLEX 棒束可以满足对AFCR 的安全要求，并降低该设计投入商业应用时面临的风险。

AFCR 堆芯的燃料通道布置和几何形状与坎杜6 相同。AFCR 组件是一种水平、圆柱形、低压排管容器端屏蔽组件。这种排管容器组件含有重水慢化剂、38 个燃料通道组件( 每个通道组件中有12 个燃料棒束) 和垂直取向的反应性机制。与坎杜6相比，燃料通道组件中的压力管道厚度增加，可使反应堆实现60 年的运行寿期。排管容器位于一个混凝土制、充满轻水的排管容器室中。燃料通道穿越排管容器和端屏蔽组件，允许AFCR 使用自动换料设备进行在线换料。

与坎杜6 采用的八束移动换料方式不同，AFCR 对DRU 燃料和低浓铀/钍燃料分别采用双向四束移动和双向两束移动的换料方式。这种换料和对调节棒的优化布置，优化了轴向功率分布，并降低了换料扰动，从而增加了设计安全裕量并简化了反应堆控制。

燃料装卸

使用两套换料机械来开展DRU 燃料和低浓铀/钍燃料的在线换料。虽然已改为四束移动或两束移动方式，但坎杜6 燃料机械设计预计能满足以超过90% 的容量因子安全运行以及60 年运行寿期的要求。

在AFCR 中使用先进燃料，可减少正常运行期间的棒束数量并降低乏燃料的产生量。

热传输系统与慢化剂

AFCR 热传输系统( HTS) 主要部件设计与坎杜6 类似。在热传输系统中，加压的重水流经380 个燃料通道之后，将燃料产生的热量输送至蒸汽发生器，以将轻水转变为蒸汽。这些蒸汽随后将驱动蒸汽轮机发电。热传输系统由两个环路组成。相对于传统坎杜堆，AFCR 热传输系统的主要区别包括:

·很小的流量分配变化，以提升功率和改善设计安全裕量;

· 辐射场的活度变化与DRU 燃料和低浓铀/钍燃料的使用相关。

AFCR 慢化剂系统设计与坎杜6 类似，是一个闭式、低压低温、重水冷却回路。它能够慢化堆芯的高能裂变中子，以促进进一步的核裂变。

安全性

AFCR 能够满足并大幅超出国际原子能机构( IAEA) 制定的下述第三代反应堆量化安全目标:

· 堆芯损坏频率( CDF) 低于10 －5 /堆年;

· 大规模释放频率( LRF) 低于10－6 /堆年。

总体而言，坎杜反应堆为实现下述目的采用了一系列固有能动和非能动特性: 预防事故以及如果事故发生缓解事故后果，或为严重事故提供预防和缓解措施。

AFCR 配备了两套在实体和功能上实现隔离的独立停堆系统———SDS1 和SDS2: 前者采用从堆芯顶部释放停堆棒的方式实现停堆，后者采用从堆芯侧向慢化剂注入中子吸收剂的方式实现停堆。

AFCR 还使用多个防御层来预防设计基准事故和超设计基准事故的发生或缓解这些事故的后果。为热阱提供了许多来自能动和非能动水源的冗余供水途径，从而使操作人员在事故发生后有足够的时间( 超过72 小时) 来实施替代措施。

应急冷却

AFCR 保留了坎杜6 的应急堆芯冷却系统设计。该系统包括应急冷却注入子系统以及用于为热传输系统隔离和蒸汽发生器应急冷却提供支持的子系统。应急堆芯冷却系统能够自动启动，以提供应急堆芯冷却。

喷淋系统可用于在假想事故情景包括主蒸汽管线破裂( MSLB) 中有效降低安全壳峰值压力。该系统的设计类似于成熟的坎杜6 设计。

应急供水系统( EWS) 是一个安全辅助系统，以确保在假想事故情景中正常余热排出系统不能运行时有足够的热阱可供衰变热排出。

AFCR 使用了新型严重事故恢复和排热系统( SARHRS) ，用于在假想超设计基准事故中长时间从堆芯排出衰变热并提供一个安全壳热阱。这一系统或者将应急供水系统水池作为水源，或者从反应堆厂房地下室中回收水以进行循环使用。该系统可为排管容器和排管容器室提供补给水，以防止严重事故的发生，中止严重事故进程以及缓解事故后果。