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日本核循环发展——概况

字体: 放大字体  缩小字体 发布日期:2021-11-10  来源:嘿嘿能源heypower  浏览次数:69

日本有一套完整的燃料循环体系,包括用于乏燃料再循环的浓缩和再处理设备。

同时,日本在核研发也一直处于领先地位,尤其是在快堆方面。福岛核事故发生后,日本的核监管结构被彻底整改。

尽管日本是唯一一个遭受核武器袭击的国家,但日本和平利用核能供应了大部分电力。

1、铀供应及海外铀项目

日本本土没有铀矿,日本的铀矿进口主要来自澳大利亚(约三分之一)、加拿大、哈萨克斯坦等其他国家,海外进口基本满足了国内每年的铀需求(福岛核事故发生前每年进口量高达8000吨)。

同时,日本公司已经大规模参股海外铀项目。

哈萨克斯坦铀矿项目

哈萨克斯坦已探明的铀矿储量为150万吨,居全球第二。目前哈萨克斯坦的铀矿开采量占全球开采总量的大约33%,另外两大铀矿开采国加拿大和澳大利亚,分别占18%和11%。

在哈萨克斯坦,伊藤忠商事株式会社同意从2006年开始,十年内从Kazatomprom购买3000吨铀矿。日本资金帮助开发了哈萨克斯坦的West Mynkuduk矿(住友25%,关西10%)。

2007年,丸红和东京电力牵头的日本财团购买了哈萨克斯坦哈拉桑矿项目40%的股份,铀矿年产可达2000吨。

2008年5月,两国签署了关于铀供应和日本帮助升级Ulba燃料制造厂的进一步协议。

2009年3月,关西、住友和核燃料工业三家日本公司与Kazatomprom签署了关西工厂铀加工协议。

乌兹别克斯坦铀矿项目

乌兹别克斯坦铀矿储量居全球第十,已探明的铀矿储量将近14万吨,占全球储量2.3%,由于本国并无需求,所有开采的铀矿全部用于出口,其中72%出口到日本。

2006年9月,日本-乌兹别克斯坦政府间签署协议,旨在为乌兹别克铀矿开发提供资金。

2007年10月,伊藤忠商事株式会社与纳沃伊采矿&冶金联合公司(NMMC)达成协议,开发开采和研磨黑色页岩的技术,特别是Rudnoye矿床,从2007年开始,每年约生产300吨铀矿。

随后,2011年2月,伊藤忠商事与NMMC签署了一份为期10年的“大规模”铀采购协议。

澳大利亚等国铀矿项目

澳大利亚铀矿蕴藏量丰富,储量最大,为64.6万吨,占全球储量的41%,但对铀矿开采政策却极为严格,澳大利亚现行铀政策是在严格遵守旨在预防核扩散的国际协议的前提下允许开采和出口铀。

2008年,三井作为49%的合资伙伴加入了铀壹的蜜月矿项目。

2009年初,三家日本公司收购了铀壹公司(Uranium One)20%的股份,使其在蜜月期间总共拥有59%的日本股权。

2008年7月,三菱同意以4.95亿美元收购西澳大利亚州Kintire项目30%的股权,另一股东Cameco(70%)也表示同意。

2009年2月,Mega铀公司以4900万美元的价格将梅特兰湖项目35%的股份出售给伊藤忠商事株式会社(占日本股份的10%)和日本澳大利亚铀资源开发有限公司(JAURD)。其中包括关西电力公司(50%)、九州电力公司(25%)和四国电力公司(15%)。

2010年3月,伊藤忠商事株式会社以9200万美元收购了卡拉哈里矿业公司15%的股份。

卡拉哈里拥有41%的开采资源,该公司正在开发Husab项目。

2010年7月,伊藤忠商事以1.53亿美元收购了Extract 10.3%的直接股权,其中大部分来自Polo Resources,其在该项目中的总份额达到16.43%。

2、燃料循环——前端

中国的核燃料循环(图源:网络)

日本基于进口铀,一直在逐步发展一个完整的国内核燃料循环产业。

铀浓缩

日本原子能机构(JAEA)在冈山县人形岭运营了一个小型铀精炼和转化厂,一个小型离心浓缩示范厂,不过这些设施目前已经退役。

尽管大多数浓缩服务仍然是进口,日本核燃料有限公司(JNFL)在六所村–RE2A运营一座商业浓缩厂。

该厂于1997年开始运行,采用日本本土技术,共有7个梯级,每个梯级的年产量150,000 SWU(分离功),但只有一个梯级在运行。

工厂正在配备一种新的离心机设计,经过15个月的试运行后,2012年3月,37,500 SWU/年生产线全面上线。

2013年5月,又有37,500/年SWU上线,2014年年中,105万SWU投入运行。

预计在2021年左右达到150万SWU/年的设计容量。

2017年5月,日本核管理局(NRA)根据2013年的标准批准了JNFL运行。JNFL的主要股东是各大电力公司。

日本有6400吨从后处理(RepU)中回收的铀,并储存在进行后处理的法国和英国。

2007年,经双方同意,俄罗斯的Atomenergoprom公司将为日本公用事业公司供应燃料。

3、全国各地的核燃料制造厂

六所村燃料厂

核燃料芯块

位于东京北部茨城县的六所村,三菱核燃料有限公司(MNF)经营着一家440 吨/年的燃料制造厂,该公司成立于1972年,由三菱材料公司(MMC)持有多数股权。

2009年4月,该公司重组为一家综合性核燃料制造公司,为日本客户提供用于压水堆(PWR)、沸水堆(BWR)和高温气冷堆(HTR)的铀燃料组件,以及混合氧化物(MOX)燃料组件。该公司还将提供相关服务,包括从2014年开始的铀再转化。

新持股为三菱重工(MHI)35%、MMC30%、阿海珐30%和三菱公司5%,总资本为114亿日元。

2009年10月,该公司宣布将建造一座采用阿海珐干法工艺的新工厂,产量达600吨/年。

桶川町锆合金厂

MMC在埼玉县的桶川町有一家生产锆合金管的工厂,生产能力800 吨/年。

作为新伙伴关系的一部分,MHI和阿海珐于2010年宣布成立一家50-50的合资企业,在阿海珐位于华盛顿州的里奇兰工厂生产APWR燃料,但这一过程尚未实施。

熊取町和东海村燃料厂

在熊取町和东海村,核燃料工业(NFI)有两座燃料制造厂,分别从1976年和1980年开始运营。

熊取町(284 吨/年)生产PWR和BWR燃料,东海村(250吨/年)生产HTR和FNR燃料。

横须贺MOX燃料厂

NFI还参与了一个项目,为阿海珐设计MOX燃料,供应日本发电厂。

2009年,西屋电气以1亿美元收购了古川和住友拥有的NFI 52%的股份。全球核燃料-日本(GNF-J)是GE领导的全球核燃料合资企业的一部分,该合资企业于1970年由日立和东芝出资成立,为BWR设计和制造燃料。

它在神奈川县横须贺有一个750吨/年的工厂。

2017年3月,NRA批准其符合2013年安全标准,经济产业省(METI)批准其重启。

JAEA在东海拥有一些实验性混合氧化物(MOX)燃料制造设施,用于普贤 ATR和FBR项目,每个项目产能约为10吨/年。

4、燃料循环——终端

由于能源安全原因,尽管铀的价格多年来一直走低,但自1956年以来,日本的政策一直是最大限度地利用进口铀。

同时,通过将未燃烧完全的铀和钚作为混合氧化物燃料(MOX)回收,从核燃料中额外提取25-30%的能量。

AEC(原子能委员会)在2005年重申了这一点。据报道,2013年底,日本十家电力公司在18座核电厂储存了55,610个乏燃料组件(13,236吨),占用了55%的可用池存储空间。

2016年9月,FEPC报告称,日本发电厂的干湿储存中有14830吨乏燃料,占现有储存容量的71%。

这不包括储存在六所村后处理厂的约3,000吨废燃料。

5、东海村

日本东海村是JAEA高放废物处理和处置研发的主要场所。

在东海村,JNC(现为日本原子能机构)使用Purex技术运营了一个90吨/年的试验后处理厂,从1977年到2009年初的最后一批,一共处理了1140吨废燃料。

其中,653 吨来自BWR,276 吨来自PWR,111 吨来自165 Mwe的普贤原型先进热反应堆。

在东海村处理过5,401个乏燃料组件,其中包括一种Pu-U混合产品以及再加工铀。

自2006年商业合同到期以来,该工厂一直专注于研发,包括普贤ATR反应堆MOX燃料的再加工。

据说东海村具有40吨/年的MOX燃料再处理能力。

2014年9月,JAEA宣布将关闭整个设施,而不是花费1000亿日元(9.15亿美元)将其升级至新的安全标准,特别是抗震标准。

六所村工厂将接管进一步的工作。

2017年6月,该公司向核管理局(NRA)提交了退役计划,该计划将耗时60年,耗资9870亿日元。

JAEA表示,后处理厂的燃料池储存了来自JAEA 普贤ATR的265个乏燃料组件,相当于40.7吨重金属。

6、玻璃化核废料

玻璃固化核废料示意图:核废料均匀溶于玻璃结构体内和含有气泡和包裹物的玻璃固化体(图源:网络)

1994年至2007年,JAEA在东海村进行高放废物(HLW)玻璃化试验,产生了247罐玻璃化废物。

2016年1月重新启动,可以玻璃化400 m3液态HLW,2017年6月在玻璃化48吨液态高放废物后关闭,填充59个罐,但还有很多工作要做。

据报告,这些问题与JNFL在2008年在六所村遇到的问题相似。

2017年11月,NRA批准在2019年4月重新启动该核电站,以在2029年初处理剩余的379 m3高放废物。

2014年,JAEA在东海运行乏燃料储存设施,储存110吨燃料,并提议进一步建造。

7、欧洲的后处理

美国北卡罗来纳州布朗斯维克核电站乏燃料池里的能源组件(图源:网络)

在日本建成一座完整的核循环工厂之前,乏燃料的后处理主要由BNFL(英国核燃料有限公司)和AREVA(阿海珐)(处理能力分别为4193 tU和2944 tU)在欧洲进行,然后将玻璃化的高放废物送回日本处理。

阿海珐的后处理厂于2005年开始运营,JNFL在六所村的后处理厂计划于2008年(现在是2021年)开始商业运营。

自1999年以来,由于预计了其全面运营时间(1998年完成了对欧洲的运输),乏燃料一直堆积在附近。

截至2012年底,日本共储存了14460吨乏燃料,大部分储存在反应堆中。

2017年3月,JNFL在六所村储存了2968吨乏燃料,六所村的容量为3000吨。

后处理涉及传统的Purex工艺,但东芝正在开发一种混合技术,将其用作分离大部分铀的第一阶段,随后是一个电冶金过程,产生两个分流:锕系元素(钚和次要锕系元素)作为快堆燃料,剩下是用于处置的裂变产物。

 
 
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