李玉仑 马福邦
摘要：本文论述了核电站乏燃料可以组成低温堆堆芯，裂变反应产生的热能和中子可被利用，从而使乏燃料成为一种可以直接再利用的资源。该乏燃料低温堆，由于大堆芯低功率密度、大水容量形成可靠的大热阱，较小的过剩反应性，其ATWS瞬态特性与高温气冷堆类似，具有很高的安全性。同时，该堆不消耗新鲜铀资源，系统简单、造价低，因而具有好的经济效益和环境效益。
该堆出口参数与世界上成熟的低温多效蒸发（MED）海水淡化装置所用热源参数正好完全匹配。若将该堆与MED海水淡化装置结合，可能促成一个核能海水淡化的产业。该堆也适于在“三线”特大型企业的集中采暖供热和无载体同位素的生产。
我国乏燃料资源量，到“十五”末期，投产运行的核电站乏燃料，至少可供10个200MW乏燃料低温堆长期稳定运行。若全部用于海水淡化，每年可生产2.4亿吨高纯淡水，同时置换出晒盐场地180平方公里，可用于海水养殖或开发区用地。
一、核电站乏燃料是可以直接再利用的资源
从现有资料看，我国属于铀资源缺乏国家。随着我国核电建设的发展，一方面，铀资源长期稳定供应问题日显突出；另一方面，核电站乏燃料也逐渐增多。
核电站乏燃料是指燃耗达到预期值（尚未达到限值），不能满足核电站在额定功率下运行的要求，因而卸出的燃料。
核电站压水堆卸出的乏燃料组件一般还剩余约0.9％～1.1％的铀-235，新生成约0.6％的钚-239和0.15%的钚-241等可裂变物质，这是可利用的资源。
目前，世界上核电站乏燃料管理有两种基本政策，一是“一次性”通过政策，核电站的乏燃料不经后处理，只经过中间储存后直接进行最终处置；二是乏燃料后处理政策，经后处理把乏燃料中剩余的铀-235和生成的钚-239提取出来制成MOX元件（技术要求和成本都很高），再用作核电站的燃料。“一次性”通过政策的乏燃料显然铀资源利用率不高；经后处理分离出的剩余铀-235和生成的钚-239再用作核电站的燃料，提高了铀资源利用率，但乏燃料后处理成本很高。
为了充分利用这些资源，加拿大、韩国和美国等正在联合开发一项技术，将压水堆乏燃料芯块重新加工制成CANDU燃料元件，在重水堆核电站里继续使用，即“DUPIC”计划。其技术工艺过程很复杂，成本很高，该计划正处于开发中。
此外，也有对乏燃料衰变热和r射线利用的探讨，由于可获得的能量不大，经济性差，故都未得到广泛实际应用。
能源和水资源领域的一些专家认为：由笔者提出的核电站乏燃料低温堆，是一种在实施“一次性”通过或后处理政策之前，直接利用核电站乏燃料组成中子链式反应装置产生热能和中子的创新技术。它在工程上的实施，完全可以用现有成熟技术来实现。所产生的热能可以用作海水淡化厂的热源，特定条件下的集中采暖；其中子场适于无载体同位素生产。这样一来，核电站乏燃料将成为一种可以直接再利用的可观的资源。
二、核电站乏燃料低温堆的特点
将核电站的乏燃料直接用作低温堆的核燃料，所构成的堆芯有相当的后备反应性，可以满足低温堆的运行要求。其后备反应性主要来源于：（1）核电站反应堆高参数降为低温堆的低参数时，负温度效应释放出正反应性；（2）由于功率密度降低（中子通量降低），使平衡氙中毒减小，从而释放出正反应性；（3）由于乏燃料组成的堆芯含有“渣”钐-149等核素，经吸收中子“消渣”释放出反应性。以上原理构成了乏燃料低温堆低参数中子链式反应系统的理论基础。
核电站乏燃料低温堆这项创新技术有不消耗新铀资源、安全可靠、经济性好、利于环保四个明显的特点。
1．不消耗新铀资源
由于以核电站乏燃料为该堆的核燃料，其链式反应是直接消耗乏燃料内的铀-235和钚-239等可裂变材料，使乏燃料得到再次利用，没有像其它堆那样消耗新鲜铀资源，从而提高了铀资源利用率。
该低温堆（例如用大亚湾卸出的AF3G乏燃料组件组成的堆芯）内裂变反应使乏燃料的燃耗再增加5％～10％，铀-235略有减少（～7.4％左右），钚-239变化不大。因此，核电站乏燃料经过低温堆再利用后，对实施“一次性”通过或后处理政策都没有实质性影响。
2．安全性高
由于大堆芯、低功率密度，大水容量形成可靠的大热阱，以及乏燃料堆芯具有比核电站小得多的过剩反应性，使得乏燃料低温堆可以设计成安全性很高的堆。具体表现为：在稀有事故中，不停堆瞬态事件（ATWS）分析对安全性是至关重要的。中国原子能科学研究院的专家们对该堆进行了全厂断电，丧失热阱，满功率失控提棒和零功率提棒ATWS等事故的分析表明，由于第二套停堆系统和非能动应急余热排除系统的作用，都能实现安全停堆和余热导出，不会发生燃料元件烧毁事故，堆芯不会熔化。因此，可以说，严重事故情况下在该堆内不会出现核电站反应堆内出现的源项。上述ATWS分析表明，该堆具有和高温气冷堆类似的瞬态特性。目前正在探索在该堆内完全实现固有安全（即“傻瓜”堆）的可能性。
3．经济性好
由于乏燃料堆有的高度安全性，结构和系统可以设计得简单可靠，减少设备投资和建造工期，从而降低了初始造价。
在这种堆内使用的是“零成本”乏燃料。因为它的后处理费或最终处置费已在核电站的电价中收取并在财务上作了专项预留处理。乏燃料在池堆使用后重金属量基本不变，而国内外在后处理或最终处置时都是按乏燃料重金属量收费的。因此，使用乏燃料不会再发生后处理费用，只发生它的转移运输费用，从而大大降低了乏燃料堆的运行成本。
4．利于环境保护
除了它没有粉尘、二氧化碳和氮氧化物等环境污染以外，特别要指出核能的获得一般是以环境承担乏燃料后处理或最终处置为代价的。但在处理前直接将乏燃料再次利用于该堆，只是燃料循环上增加了一个环节，而乏燃料总量没有增加，因此它没有这种环境负担。
三、乏燃料低温堆的应用
1.海水淡化装置的热源
目前，世界上多效蒸发法（MED），海水淡化装置，作为其热源的蒸汽，只有参数低于约70℃的技术是成熟的。因为以72℃（或以下）蒸汽为热源时，可采用便宜的铝合金材料，腐蚀和结垢问题较易解决。而采用更高温度的蒸汽，则需要昂贵的钛合金材料，腐蚀和结垢问题严重。乏燃料低温堆的出口参数正好匹配铝合金材料多效蒸发海水淡化装置对热源的需求。因此，核电站乏燃料—低温堆—铝合金材料多效蒸发海水淡化装置是海水淡化的一个最佳结合。
以压水堆为例，用它卸出的约100个乏燃料组件构成低温堆堆芯，热功率可在150～200MW左右，出口水温98℃，所产生的72℃蒸汽，可供海水淡化装置日产80000M3高纯淡水（5PPM）。该堆按每年运行300天计，年产高纯淡水达2400万M3。
低温堆多效蒸发海水淡化厂，设计寿命30年，按全部设备从以色列采购估算：乏燃料低温堆供热，高纯淡化水成本3.16元/ M3,比增加环境后处理负担的新核燃料池堆供热的淡化水成本4.54元/ M3节省30%。应该指出，以上成本没有考虑海水淡化综合利用的经济效益。在考虑以后，淡化水成本将更低，具有更强的市场竟争力。实践证明，海水淡化是一个海水综合利用项目。因为在生产淡化水的同时，也产生了相同数量的浓盐水，这本身构成了海盐生产的新工艺。由于MED法适合大规模海水淡化（一般RO反渗透膜法规模较小），因此，它可以代替我国目前仍在采用的晾晒海水生产海盐的古老落后的工艺。据营口市有关部门提供的数据，一个乏燃料堆（200MW）MED海水淡化装置所得到浓盐水，相当于18平方公里面积晒盐场的产盐能力（澳门特别行政区总面积为16平方公里）。除得到淡水外，同时还可置换出晒盐场地，改作水产品养殖厂，获取更大的经济效益。他们估计，若该堆产生的热量全部用做海水淡化，所置换出的土地本身价值达13.5亿元（按每亩5万元计）。同样，由于天津开发区毗邻盐场，所以天津市也产生了类似的想法，既获取淡水又能置换盐场得到土地扩大开发区面积。最近媒体报道的国内外仿“死海”（人体可自然漂浮在水面而不下沉）新旅游项目，如利用海水淡化产生的浓盐水和置换出的晒盐场地，也能较容易地开发出来。因此合理利用乏燃料低温堆在我国可大有作为。
2.特定地区的采暖供热
核电站乏燃料低温堆的出口水温98℃，适合居民小区采暖供热。我国西部“三线”地区特大型企业，冬季室内供热不足，该堆产生的热能作这样地区采暖供热是很合适的（清华大学游泳池堆低温采暖供热试验已获得成功）。一个200MW的乏燃料堆产生的热能，如全部用于采暖供热，则可供500万M2采暖。并且，这种热能，还可用于类似地区现代化农业生产用热，育苗、育种、果蔬生产大棚用热等等。
3.无载体同位素生产
核电站乏燃料堆的特点是功率密度低，不适于生产比强度要求很高的同位素，但对于不强调比强度而要求总量的无载体同位素生产是合适的。特别是对这样一个乏燃料堆，在生产热能的同时用其中子辐射无载体同位素，使其得综合利用。
四、乏燃料资源量和市场前景
如前所述，以百万千瓦级压水堆为例，用它卸出的约100个乏燃料组件组成低温堆堆芯，其功率在150—200MW范围内，生产热能和提供中子辐照场。
到“十五”末，我国每年压水堆卸出的乏燃料至少可供10个200MW乏燃料低温堆稳定运行。若全部用于海水淡化，每年可生产高纯淡水2.40亿M3，相应数量的浓盐水还可置换出晒盐场可达180kM2。随着我国核电装机容量的增加，可利用的乏燃料资源也将同步增长，核电站乏燃料海水淡化可形成产业并逐步扩大。
全球目前约有370个水堆机组在运行，每年卸出可观的乏燃料，若组成乏燃料堆供海水淡化，年产淡水量也是很可观的（约200亿M3/年）。
大规模的MED法海水淡化，适合工业用水，城市管网供水。多年来，由于尚未找到既安全又经济的核热源，与低温多效蒸发法淡化装置相匹配，因而核能海水淡化没有大的发展。核能供热情景也是类似。作为低温热源核电站乏燃料低温堆，不消耗新鲜铀资源（即不与核电“争口粮”）如其技术开发取得顺利进展，有可能在低温核热能领域形成一定规模的产业。
