核燃料循环“一次通过”情景分析研究

刘存兄，何 辉，叶国安，刘栎锟，张秋月，李 丽

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

核电自20世纪50年代起步开始，逐渐在全世界范围内发展。目前，全球有452座商用核电站在30多个国家内运行，共计397 GW装机容量，在建的还有54座，装机容量57 GW。目前商用的核电站中，美国运行99座核电站，法国运行58座核电站，中国运行45座核电站[1]。

核电站的运行是一项整个核工业体系的复杂系统工程, 涉及多个环节的工业产业链。其中与使用的燃料相关的主要环节包括，铀资源调查、铀矿开采、水冶、转化、浓缩、铀元件制造、堆内使用、水池暂存、后处理、高放废物暂存、高放废物分离、嬗变、地质处置等环节，所有与燃料相关的环节组成了核燃料的循环体系[2]。

国际上核燃料循环的方式主要分为两种：一种是以美国为代表的“一次通过”的方式(见图1)，另一种是以法国为代表的闭式核燃料循环方式(见图2)。“一次通过”的方式和闭式核燃料循环方式在“燃料元件制造”环节前是一样的，都包括铀资源调查、铀矿开采、水冶、转化、浓缩。不同之处在于对乏燃料的处理方式。“一次通过”方式是将核电厂卸出的燃烧过的燃料(乏燃料)，在贮存水池暂存一段时间后，直接送往地质处置库进行地质处置。闭式核燃料循环方式是乏燃料在贮存水池暂存一段时间后，送往乏燃料后处理厂，经过分离流程，回收乏燃料中的铀和钚，然后再将铀和钚制成混合燃料，在压水堆核电站或快堆核电站再使用[2-3]。由图1可知，“一次通过”方式中，影响核电站运行的重要工艺段是235U的富集、燃料元件制造、压水堆运行、乏燃料暂存、地质处置。各国在发展核电的过程中，根据各国的国情，选择不同的核燃料循环方式。

图1 核燃料循环的“一次通过”方式

图2 闭式核燃料循环方式

核电发展过程中，不管核燃料循环采用哪种方式，都需要对铀资源需求量、需要的分离功、产生的乏燃料、暂存库的容量等进行计算分析，使核电站的发展与铀资源需求量、需要的分离功、暂存库的容量等匹配，即需要解决各个环节间的规模、结构和时间三个重要问题，以便各个环节协调、统筹发展[2]。

本报告假设2050年前后，中国核电分别达到100 GW、200 GW和300 GW，核燃料循环方式采用“一次通过”方式，利用Excel计算分析2019-2092年累计需要的天然铀、每年需要的天然铀、每年需要的分离功、累计产生的乏燃料、需要离堆暂存的乏燃料量等，为核电和核燃料循环产业链的发展、规划提供参考数据。

1 运行的核电站、在堆水池、离堆暂存库等信息

根据中国核网微信公众号2019年2月发布的信息，截至2019年1月31日，中国大陆运行的核电机组已达45台/套，装机容量45.7 GW。在建11台，装机容量11.9 GW。2018年运行了8台核电机组，总装机容量为9.96 GW。运行机组的位置、功率和商运时间见表1[4]。

表1 截至2019年1月31日，中国大陆运行的核电机组的位置、功率和商运时间

计算分析的前提及假设如下：

1)压水堆核电站的平均寿期按50年计。压水堆核电站设计寿命一般为30～40年。目前，满40年寿期后，多数核电站都会申请延期，延长至60年，故压水堆核电站的平均寿期按50年计[5-6]；

2)核电站装载浓缩铀燃料按4.5%的加浓度计。压水堆核电站燃料浓缩铀的加浓度通常在3%～5.0%，多数堆采用加浓度为4.5%的铀燃料[7-8]。4.5%的浓缩铀的分离功为6.87 tSWU/t浓缩铀[9]；

3)天然铀中235U的含量为0.72%，贫铀中235U的含量按0.3%计算，根据质量守恒计算，1 t浓缩度为4.5%的浓缩铀，需10 t天然铀[10]；

4)压水堆核电站建设周期为5年[11-12]；

5)压水堆在堆水池的容量按平均容量为400 t计算，20年后在堆水池全满[13]；

6)1 GW的核电站每年产生乏燃料介于17～22 t之间(燃耗45 GWd/t)，平均按每年产生20 t乏燃料计算[14-15]；

7)截至2018年12月31日，国内累计乏燃料3 170 t。

8)2050前后，核电装机容量达到100 GW、200 GW和300 GW时，不再建设新核电站，总装机容量随着核电站的退役逐年减少。

2 不同核电装机容量下运行核电站和暂存水池的计算和分析

2.1 2050年前后，核电装机容量100 GW情景下，运行的核电站和运行的在堆水池情况

假设到2050年，核电装机容量为100 GW。设定从2019年开始，每年建设3台1 GW的核电机组，5年的建设周期，2024年共有48台核电机组运行，依次类推，到2041年核电装机容量即可达到99 GW。2037年再建设1台1 GW的核电机组，2042年就可达到100 GW。2043年核电装机容量保持在100 GW。

从2044年开始，1994年开始商运的秦山核电站、大亚湾核电站1号机组、大亚湾核电站2号机组已达到50年的寿期，开始退役。即从2044年开始，实际运行的核电站逐年或隔几年减少，一直到2092年，商运的核电站全部退役。2019-2092年实际运行的核电站、在堆水池如图3。

图3 100 GW核电装机容量下2019—2092年实际运行的核电站和在堆水池

2019年开始，按每年3座核电站的建设速度，5年的建设周期，从2024-2043年，核电站的数量是直线上升，2042年、2043年核电站数量最多，为100座。2044年有3座核电站满50年的寿期，2044年核电站数量减少为97座。2044-2050年核电站数量保持不变，曲线呈现第一个平台，是因为1995-2000年没有核电站投入运行。2051年开始核电站数量呈平缓的曲线减少，直到2067年，2068-2073年出现第二个平台。2074年开始，核电站数量变为直线下降。2051-2067年减少较慢是因为2001-2015年逐渐运行的28座核电站也在逐年退役，而且这28座核电站开始商运的时间不一致，退役的时间也不尽一致，核电站数量的减少呈平缓的曲线。2068-2073年核电站数量不变是因为2019-2023年在建的核电站还未投入运行。2024年开始每年有3座核电站启用，故从2074年开始核电站数量的减少变为直线下降。

2019-2092年，在堆水池的变化总体呈现驼峰形式，即先波谷、再直线增长成波峰，再减少到波谷，再增长到波峰，然后直线减少到0。从2019-2023年逐渐减少，2023年降为波谷值36座，这是因为从1995-2000年没有新的核电站和水池投入运行。从2024年开始逐渐增加，从2025-2033年逐渐增加，2033年在堆水池达到58座，为第一波峰的峰顶。2034年开始又逐渐减少，直到2038年减少为第二波谷的46座，是因为2014-2018年投入运行的核电站在堆水池较多，总计达25个，这些在堆水池到2034-2038年都已到了20年的寿期。2039年开始又以每年3座的速度逐渐增加，到2042年、2043年达到55个，为第二波峰。2044年开始又以每年3个的速度逐渐减少，直到2056年减少到6个，2057年则仅剩1个在堆水池运行。2024年开始在堆水池以每年三个的速度增加，到2044年满20年寿期，1994-2018年头投入运行的在堆水池也都已全部满20年的寿期，故从2058-2092年所有在堆水池全满或到20年服役期。

2.2 2050年前后，核电装机容量200 GW情景下，运行的核电站和运行的在堆水池情况

在200 GW情景下，从2019年开始，每年建设6台1 GW的核电机组。到2049年即可达到201 GW，2045年建设3台，2050年就能达到203 GW。但是2044年开始，就有3台电站退役。故2050年，实际运行的核电装机容量为200 GW。到2100年，全部203 GW的核电机组都退役。图4为 2019-2100年实际运行的核电站和在堆水池。

图4 200 GW核电装机容量下2019—2100年实际运行的核电站和在堆水池

2019-2042年实际运行在堆水池总体是逐渐增长的趋势，到2043年实际运行在堆水池达到最多，为120个。2044-2049年保持117个在堆水池不变，2050年开始逐年减少，直到2070年减为0个。2044-2049年保持不变，是因为2024-2029年既有满周期的核电站也有满周期的在堆水池，两者累计恰使运行的在堆水池完全一样。

2.3 2050年前后，核电装机容量300 GW情景下，运行的核电站和运行的在堆水池情况

在300 GW情景下，从2019年开始，每年建设10台1 GW的核电机组。到2048年即可达到295 GW。2044年建设8台，到2049年即可达到303 GW。2044年退役3台，2049年实际的核电容量为300 GW。到2099年，全部核电机组退役。图5为2019-2099年实际运行的核电站和在堆水池。

图5 300 GW核电装机容量下2019—2100年实际运行的核电站和在堆水池

2019-2023年运行的在堆水池略有减少，2024-2043年运行的在堆水池逐年直线增加，2043年达到最多，为200个。2044-2048年保持不变，都是197个，也是因为核电站和在堆水池同时满周期，致使运行的在堆水池个数相同。2045年以后，在堆水池直线减少，到2066年全部在堆水池满20年的运行周期。

3 需要的天然铀、分离功、需要离堆暂存的乏燃料等计算分析结果和讨论

利用Excel计算分析需要的天然铀、分离功、需要离堆暂存的乏燃料等，分析计算结果如下。

3.1 在核电装机容量为100 GW、200 GW和300 GW三种情景下，累计需要的天然铀

图6为累计需要的天然铀。在核电装机容量为100 GW、200 GW和300 GW三种情景下，核电站需要的天然铀逐年近似于直线增长。但从2024年开始，天然铀的需求量开始明显增长。在三种情景下，核电站从商运开始到50年后退役，合计需要天然铀分别为100万t、200万t和300万t。

图6 100 GW、200 GW和300 GW三种情景下，累计需要的天然铀

3.2 在核电装机容量为100 GW、200 GW和300 GW三种情景下，每年需要的天然铀和分离功

图7为在核电装机容量为100 GW、200 GW和300 GW三种情景下，核电站每年需要的天然铀。三种情景下，每年需要的天然铀近似于平缓的抛物线。100 GW情景下，从2024年开始逐年直线增长，在2042-2043年期间达到最高值20 000 t/a，2044-2074年逐年缓慢减少，到2075年变为直线减少，直到2092年减为0。

图7 100 GW、200 GW和300 GW三种情景下，每年需要的天然铀

200 GW和300 GW情景下，也是从2024年开始直线增长，到2049—2050年期间分别达到最高值39 400 t/a和59 400 t/a，2051-2075年减缓慢减少，到2074、2075年开始直线减少。

每年所需铀资源的量与运行的核电站直接相关。100 GW核电装机容量情景下，2043-2072年的29年内每年需要的铀资源从20 000 t/a缓慢减少为10 400 t/a。200 GW核电装机容量情景下，2050-2072年的23年内每年需要的铀资源从39 400 t/a缓慢减少为29 800 t/a。300 GW核电装机容量情景下，2050-2072年的23年内每年需要的铀资源从59 400 t/a缓慢减少为51 000 t/a。三种情景下，都有较长一段时期每年需要大量的铀资源。

图8为在核电装机容量为100 GW、200 GW和300 GW三种情景下，每年需要的铀分离功。分离功的需求变化趋势与每年需要的天然铀需求相似。在100 GW核电容量情景下，每年需要的分离功从2019年开始逐年增加，从2024年开始直线增加，到2042、2043年达到最大值13 740 SWU。此后开始慢慢减少，直到2092年减少为0 SWU。

在200 GW和300 GW核电装机容量下，也是从2024年开始直线增长，到2049年、2050年分别达到最大值27 000 SWU和40 807 SWU。

图8 100 GW、200 GW和300 GW三种情景下，每年需要的铀分离功

3.3 在核电装机容量为100 GW、200 GW和300 GW三种情景下，累计产生的乏燃料、需离堆暂存的乏燃料

图9为在核电装机容量为100 GW、200 GW和300 GW三种情景下，每年累计产生的乏燃料。产生的乏燃料的变化趋势与累计需要的天然铀的相似。100 GW、200 GW和300 GW核电装机容量下，从2019-2092年累计产生乏燃料分别为100 000 t、200 000 t和300 000 t。

图9 100 GW、200 GW和300 GW三种情景下，累计产生的乏燃料

图10为在核电装机容量为100 GW、200 GW和300 GW三种情景下，每年需要离堆暂存的乏燃料量。

在100 GW情景下，2019-2033年，在堆水池能暂存所有卸载的乏燃料。一直到2034年，在堆水池都已全满，需另建离堆水池来暂存乏燃料。从2035年开始，需暂存的乏燃料逐年增加，到2092年所有在运行的反应堆退役，共需暂存的乏燃料量达到9.7 万t。

在200 GW情景下，2019-2037年，在堆水池可暂存所有反应堆卸载的乏燃料。一直到2038年，在堆水池全满，需另建离堆水池来暂存乏燃料。从2039年开始，需暂存的乏燃料逐年增加，到2100年所有在运行的反应堆退役，共需暂存的乏燃料量达到20万t。

在300 GW情景下，2019-2044年，在堆水池能暂存所有卸载乏燃料。一直到2044年，在堆水池都已全满，需另建离堆水池来暂存乏燃料。从2045年开始，需暂存的乏燃料逐年增加，到2099年所有在运行的反应堆退役，共需暂存的乏燃料量达到30万t。

4 结 论

(1)2050年前后，当核电装机容量达到100 GW时，从2019-2092年，累计需要天然铀100万t，产生乏燃料10万t；当核电装机容量为200 GW和300 GW时，从2019-2100年累计需要天然铀200万t和300万t，产生乏燃料20万t和30万t；

(2)2050年前后，当核电装机容量达到100 GW时，2042年、2043年分离功的需求最大，最大值为13 740 tSWU/a; 当核电装机容量达到200 GW时，2050年分离功的需求最大，最大值为27 480 tSWU/a; 当核电装机容量达到300 GW时，2049年、2050年分离功的需求最大，最大值为41 220 tSWU/a;

(3)2050年前后，当核电装机容量达到100 GW时，2035年开始需运行离堆暂存库，容量从2 750 t，一直到2092年随着在堆水池的退役，离堆暂存库的容量需10万t；当核电装机容量达到200 GW时,2039年需运行790 t的离堆暂存库，一直到2100年，需20万t的暂存库；当核电装机容量达到300 GW时,2046年需运行5 390 t的离堆暂存库，直到2099年需30万t的离堆暂存库。