mox燃料(MOX燃料元件制造)

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MOX 燃料的生产及应用现状摘要：MOX 燃料制造是“核燃料闭式循环”的关键性环节，MOX 燃料的发展战略对于乏燃料后处理具有重要意义。本文简要回顾了 MOX 燃料的发展史mox燃料，综述了轻水堆 MOX 燃料和快堆 MOX 燃料的生产和应用状况，并介绍了 MOX 燃料的制备技术，最后展望了我国发展 MOX 燃料 的前景以及现实意义。1. MOX 燃料发展简史MOX 燃料是一种混合的铀-钚氧化物燃料(mixed uranium-plutonium oxide fuel)的简 称。二十世纪六十年代初，一些国家基于“快中子增殖堆能产生比其所消耗还要多的易裂变 材料”这一概念，预计到这种新堆型将给人类带来美好的能源前景时，确立了发展怏堆的技 术路线。比利时、法国、美国、德国、意大利等国纷纷建立了钚实验室，开始进行乏燃料后 处理，开发供快堆使用的 MOX 燃料。七十年代初，法国和美国率先在实验快堆内考验了 MOX 燃料组件。与此同时，德国、瑞士、法国、英国也开始在轻水堆内引入 MOX 燃料组件。截止 到八十年代，大多数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 技术、政治和经济等方面的诸多原因，世界范围内快堆发展计划受挫，许多国家取消或推迟 了快堆发展进程，从而促使欧洲一些国家改变策略，把工作的重心转移到在轻水堆中实施 MOX 燃料的再利用和再循环，以消耗因发展快堆 MOX 燃料而贮存的大量钚。

在这一时期，他 们着重研究了在轻水堆(LWR)(含压水堆(PWR)和沸水堆(BWR))以及重水堆(HWR)电站中使用 MOX 燃料的技术条件，使之在轻水堆电站中的应用达到了工业规模。2. MOX 燃料的生产与应用现状截止到 2007 年， 全世界已有 5 个国家的 40 座以上的 LWR 获得了 MOX 再循环许可。 其中， 法国 20 座，德国 12 座，瑞士 4 座，比利时 2 座，日本 2 座，大约 30 多座 MOX 燃料热堆在 运行。据统计，有 33 座 LWR 已装有 MOX 燃料并投入使用，其中包括 31 座 PWR，2 座 BWR（位 于德国） 。由于轻水堆 MOX 燃料与快堆 MOX 燃料在制造时，芯块中 PuO2 与 UO2 的比例、元件 棒包壳材料和燃料组件结构有所区别， 现将两种不同类型 MOX 燃料的生产与应用现状予以分 述。 2.1 轻水堆-MOX 燃料生产与应用现状 根据 2007 年 IAEA 统计， 全世界运行的商业核反应堆机组共 435 套， 总装机容量为 3.69 ×10 MWe，每年约需 6.65 万吨铀。预计到 2025 年。世界核电装机容量将增至 4.49-5.33× 10 MWe．届时铀的需求量将增至 8.2-10.1 万吨。

现役核电站反应堆除使用 UOX 燃料外，也 使用了 MOX 燃料。截止到 2000 年，己有 2200 套以上的 MOX 燃料组件在法国、德国和比利时 等国家的 33 个 PWR 和 BWR 机组中使用，平均燃耗达 40GWdHM/t。实践证明在轻水堆中循环 利用 MOX 燃料可达到与 UOX 相似的性能。目前世界上正在运行的制造轻水堆-MOX 燃料厂有： 法国的卡达拉希厂(CFCa)和梅洛克斯厂(MELOX)，英国的塞拉菲尔德厂(Sellafield)，日本 的东海村和六所村厂， 俄罗斯的车里雅宾斯克联合企业。 燃料的制造工艺业已日臻完善， MOX 并积累了工业生产经验。 2.2 快堆-MOX 燃料生产与应用现状5 51946 年世界上首座实验快堆，美国克列门汀(Clementine)达到临界(额定热功率为 25kW)。 1951 年美国 EBR-1 实验快堆首次实现发电(额定热功率 1200kW， 发出电功率 200 kW)。 到 1980 年美国又建成各种目的快堆 6 座。截止到上世纪末，美国、俄罗斯、法国、英国、 德国、日本和印度等七个国家，共计建成大小钠冷快堆 18 座，积累了 300 多堆·年的运行 经验。

其中俄罗斯积累了 125 堆·年的运行经验，约占 40％，在可靠性、安全性和经济性 方面保持了较高的水平。特别是 BN-600 原型快堆电站已运行 24 年，平均负荷因子超过了 74％。目前尚有四个国家，即法国、俄罗斯、日本和印度有快堆仍在运行。至于英、美和德 国都曾发展过快堆和相关 MOX 燃料制造工艺，但是这些设施均先后披拆除或封存起来。3. MOX 燃料的制备技术MOX 燃料的制备工艺与 UO2 燃料类似，都是长度和直径约 10mm 的陶瓷块，用锆台金管作 包壳材料。所不同的是 MOX 燃料的原料为 UO2 粉末和 PuO2 粉末，需充分混合均匀，并在烧结 时形成 UO2 和 PuO2 的固溶体。 另外由于钚的极毒性和临界质量极小， 所以 MOX 燃料生产设施， 防护条件比 U02 燃料苛刻得多。其生产工艺流程见下图：3.1 国外 MOX 燃料的制备技术概况 MOX 燃料元件的制备过程主要包括氧化物粉末的混合、芯块制备、燃料棒制造和元件组 装等工序。MOX 燃料棒的制造工艺有芯块法和振动密实法两种工艺路线，无论是在加工工艺 方面，还是在性能测试、理化检测方面国外均已建立了相应的标准。

当用振动密实法进行燃 料棒制造时， 最重要的就是先得到成分均匀的混合氧化物燃料粉末； 当用芯块法进行燃料棒 制造时，MOX 燃料芯块的制备是 MOX 燃料元件制造的核心。 目前，MOX 燃料棒的制造大多采取芯块法，即先制备氧化物燃料粉末，再通过成型压制 和烧结等工序进行 MOX 芯块的制备，最后，将芯块装管、端塞焊接制成 MOX 燃料棒。其中， MOX 燃料粉末的制备工艺大致可分为干法和湿法两种。干法即机械混合法，包括比利时的 MIMAS 和 MIGAR、英国的 SBR、法国的 COCA 和德国的 OCOM 等方法，工艺都比较成熟，是最 早发展起来的工艺，已达工业生产规模，法、比、德、英、俄等国均采用过干法工艺进行 MOX 燃料元件的制造。法国 CO-GEMA 公司在 MIMAS 工艺基础上,建立了更为先进的 A-MIMAS 工艺,以适应 MELOX 厂大规模生产需要。 美国的 FFTF 工艺也是干法工艺。 俄罗斯还对转化钚的高温化学工艺（熔盐法）进行了深入的研究。湿法即共转化法，包括共沉淀法、直接脱硝 法和溶胶-凝胶法等，其中德国的 AUPuC 工艺、俄国的草酸盐沉淀法和氨基共沉淀法、法国 的 NITROXFA 法以及日本的微波加热脱硝法都是典型的湿法制备 MOX 燃料粉末方法，英国也 曾用溶胶-凝胶法制备氧化物颗粒，再利用振动密实法制备快堆燃料元件，但这种方法未被 广泛应用。

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