三种核燃料循环方案的综合效益比较

曹殿鹏^1,2，邹树梁¹,唐德文¹，肖魏魏¹，于 洁³

(1.南华大学，湖南衡阳421001；2.中国核工业集团有限公司，北京100822；3.中核环保有限公司，北京100191)

摘要： 核燃料循环产业发展的最佳状态是消耗最少的核资源，产生最好的经济效益，造成最小的环境危害。本研究从铀资源消耗、废物排放、循环成本三个方面，对开路热堆循环、闭式热堆循环、快热联合循环三种核燃料循环方案的综合效益进行比较。研究表明，在铀资源利用方面，与开路热堆循环比较，闭式热堆循环节省天然铀22.3%，快热联合循环节省天然铀65.2%，闭式热堆循环铀资源利用率提高28.7%，快热联合循环铀资源利用率提高165.5%，闭式热堆循环节省分离功12.5%，快热联合循环节省分离功60.8%。增加后处理环节的闭式核燃料循环能大幅度节约天然铀资源并减少能耗，显著提高铀资源利用率。在经济性方面，与开路热堆循环比较，闭式热堆循环成本平均提高6%，快热联合循环成本平均降低27.3%。开路热堆循环经济性优势随着天然铀价格降低而增强，闭式循环经济性优势随着后处理价格越低而增强，快热联合循环的经济性始终优于闭式热堆循环。本研究确定了三种循环间的经济平衡点，可根据不同天然铀价格和后处理价格比较三种循环方案经济性的优劣，选取经济可行的核燃料循环方案。在环境保护方面，与开路热堆循环比较，闭式热堆循环的废物产生量减少84.1%，体积减少87.7%，快热联合循环的废物产生量减少95.4%，体积减少99.0%。闭式循环的环境效益明显优于开路循环，快热联合循环优势最大。研究结论，快热联合循环的综合效益最好，是核燃料循环产业发展的最佳选择。

关键词： 核燃料循环；综合效益；资源利用率；经济性；环境效益

关于核燃料循环，学界和业界比较统一的概念是指铀钚核燃料循环，即以²³⁵U或²³⁹Pu为主要裂变燃料的核燃料入堆前制备、堆内运行和出堆后处理的整个过程，通常包括铀矿冶、铀转化、铀浓缩、燃料元件制造、堆内运行、乏燃料贮存和再处理、最终处置等工艺过程，如图1所示。铀钚核燃料循环有开路循环和闭式循环两种模式。开路循环是一次通过模式，不对乏燃料进行再处理。闭式循环对乏燃料进行再处理，实现易裂变核素的复用和有用同位素的利用^[1-7]。

联合会等美国各大评估协会同加拿大评估协会联合起来成立了统一准则特别委员会，紧接着制定了《不动产评估改革》，这是美国以国家政府的名义所颁布的最具权威性的法律文件。自此以后，美国资产评估行业开始走向正轨。

核燃料循环始于铀矿冶，终于最终处置，图1所示基本结构适用于任何动力反应堆的铀钚核燃料循环。其中，铀矿冶是指铀矿的勘探、开采和冶炼，将铀矿石去除杂质并加工成铀的化学浓缩物(黄饼或U₃O₈)。铀转化是指铀化学浓缩物的精制，生成铀的氟化物UF₆。铀浓缩是指用同位素分离方法将UF₆中²³⁵U的丰度提高到0.711%(天然铀中²³⁵U的丰度)以上，得到浓缩铀。元件制造是指将浓缩铀制成UO₂燃料芯块，将芯块组装成燃料元件，或将Pu、贫铀(铀浓缩副产品，²³⁵U含量低于天然铀)等加工成燃料元件。堆内运行是指燃料元件在反应堆内发生裂变反应释放能量。贮存是指乏燃料出堆后在冷却水池内暂存。再处理是指乏燃料经后处理提取易裂变核素和有用的同位素，主要将铀、钚分离再利用。最终处置是指乏燃料或放射性废物的地质储存^[8]。完整的铀钚核燃料循环分为前、中、后三段。其中，铀矿冶、铀转化、铀浓缩和元件制造为循环的前段，堆内运行为循环的中段，贮存、再处理和最终处置为循环的后段。

图1 核燃料循环示意图
Fig. 1 Nuclear fuel cycle

根据反应堆类型不同，铀钚核燃料循环分为热堆循环和快堆循环。中子因自身动能不同分为热中子、中能中子和快中子等，热中子能量低(<1 eV)，快中子能量高(>1 000 eV)。热堆是指利用热中子引发裂变反应的反应堆，包括轻水堆(压水堆和沸水堆)、重水堆、石墨堆、高温气冷堆等。快堆是指利用快中子引发裂变反应的反应堆，包括传统快堆和行波堆。热堆循环的堆内运行环节运用热堆，最具代表性的是运用压水堆的热堆循环，重水堆以天然铀为燃料，涉及重水堆的热堆循环不包含铀浓缩环节。快堆循环的堆内运行环节运用快堆，也称先进核燃料循环^[11]，通常采用闭式快热堆联合循环。

目前，基于世界核工业发展现状，可供选择的成熟的核燃料循环方案有三种，包括开路热堆循环、闭式热堆循环、闭式快堆热堆联合循环^[12](简称快热联合循环)。

式中：E 为每年的总发电量，P _e 为核反应堆的电功率；8760为每年的小时数。

孕妇激素水平的增高，致使静脉中的血流量增加，同时由于妊娠子宫压迫盆腔静脉，影响下肢静脉回流所致。持久站立位工作，妊娠晚期腹内压力的增加，都促使症状加重。当然，这种现象会随孕期的消失而消失。

1 基本参数

1）挤密桩。挤密桩是一种把带有管塞、活门或锥头的钢管压入或打入地下挤密土层形成孔，再向孔内投放灰土、砂石等填料成桩，通过对填料进行夯实处理，使成桩达到设计要求的成桩方法。挤密桩适用于杂填土、素土以及黄土地层的处理。不同种类的挤密桩的作用和特点不同，灰土、素土等挤密桩适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基，可处理地基深度为5～20m；需要消除地基土的湿陷性时，应选用素土挤密桩法；以提高地基土的承载力或增强其水稳性为目的时，应选用灰土挤密桩法。应用时，可结合地基处理的要求进行选择，从而达到最佳处理效果。

表1 反应堆参数

Table 1 Reactor’s parameters

注：EFPD为有效满功率天数。

表2 压水堆燃料平均成分/%

Table 2 Average compositions of NPP fuels/%

续表

注： TRU为超铀元素，MA为次锕系元素，FP为裂变产物；括号中数据为铀含量百分比；冷却时间为5年。

表3 压水堆燃料平均成分质量/(tHM/GW·a)

Table 3 Average quality compositions of NPP fuels/(tHM/GW·a)

注： TRU为超铀元素，MA为次锕系元素，FP为裂变产物；括号中数据为铀含量百分比；冷却时间为5年。

表4 快堆燃料平均成分质量(tHM/GW·a)

Table 4 Average quality compositions of FR fuels (tHM/GW·a)

2 物料平衡计算

在平衡状态下，每个循环方案的反应堆装料量(卸出料量)满足公式(1)。

5．突出了教材的实践性。增设了实践性和操作性强的“化学教学技能训练——微格教学，信息技术在化学教学中的应用，化学教学设计，化学教学测量与评价，中学化学实验教学研究”的内容，使教材实践性、操作性大大增强了。

(1)

学者们一般看重钺体现礼制这方面的功能，这诚然不错，但不能忽视钺还是重要的舞具，中国古代，歌舞乐三位一体，总称为乐。礼与乐共同构成中国古代的政治文化。礼别异，强调的是社会上人的等级，以维护统治阶级的威权和地位；而乐则重在和乐人们的情感，让社会各色人等在同乐的情景下实现和谐。

2.1 开路热堆循环

开路热堆循环是最简单的核燃料循环方案，1 GW标准热堆构成的开路热堆循环流程如图2所示。

图2 开路热堆循环流程图
Fig. 2 The open loop thermal reactor cycle scheme

根据物质守恒和分离功的定义，假设铀金属在各环节加工和回收时损耗率为0，可求得图2所示的开路热堆循环每年的物料平衡参数，如表5所示。

随着芯片制造工艺的发展，已无法再通过缩小晶体管尺寸进一步降低功耗，再加上芯片复杂度的上升，如不解决功耗问题，芯片中大量晶体管所产生的热量将达到晶体管所能够承受的极限，内部过热将严重影响芯片的可靠性甚至导致芯片的损坏从而引起系统的失效，这使得RM电路的功耗优化成为一个非常重要的现实问题.在采用基于信号概率的功耗计算模型进行RM电路的功耗优化时，需要解决电路中信号间的空间相关性问题.提出了一种基于概率表达式的MPRM电路功耗计算方法，利用概率表达式计算信号概率来解决电路中信号间的空间相关性问题，并使用二元矩图表示概率表达式.基准电路的实验结果表明所提出方法准确有效.

表5 开路热堆循环年物料平衡参数

Table 5 The annual material balance parameters of the open loop thermal reactor cycle

根据物质守恒和分离功的定义，假设铀金属在各环节加工和回收时损耗率为0，可求得图3所示的闭式热堆循环每年的物料平衡参数，如表6所示。1 GW标准PWR构成的闭式热堆循环，每年装卸燃料量约22 t，产生废物3.4 t，需天然铀约140 t。

要建立核燃料循环经济系统模型，必须以易裂变核素为载体，通过其在核燃料循环产业链上的流动，建立各环节间的经济关系。不考虑固定投资和运行费用等因素，只计算与物质流相关的核燃料循环成本现金流，引入核燃料循环成本净现值(NPV)的概念。核燃料循环的每个环节的贴现成本满足计算公式(6)。

2.2 闭式热堆循环

闭式热堆循环是现阶段最成熟的核能可持续利用方案，中段以热堆为主，在后段，乏燃料从堆内卸出，经冷却水池暂存后进行再处理，提取U和Pu进行循环利用。1 GW标准热堆构成的闭式热堆循环流程如图3所示。

图3 闭式热堆循环流程图
Fig. 3 The closed thermal reactor nuclear fuel cycle scheme

对于闭式热堆循环，乏燃料第一次从热堆中卸出后，经过中间贮存池冷却后进行后处理。分离回收元素(Pu和U)进行MOX (铀钚混合燃料)燃料制造，同时次锕系元素和裂变产物被直接进行玻璃固化处置。MOX燃料与新的UOX 燃料混合后第二次进入热堆燃烧，再循环后的混合乏燃料从反应堆卸出，通过中间贮存冷却后，UOX乏燃料再次后处理，回收分离元素(Pu和U)进行MOX燃料制造，进入下次循环，而MOX 乏燃料则直接进行最终处置。后处理中分离出的Pu元素的完全循环利用是闭式热堆循环的平衡条件，即每次从热堆中卸出UO₂乏燃料中回收的钚加工成MOX燃料的质量与从热堆中卸出MOX乏燃料质量相等，满足公式(2)和公式(3)。

(2)

M _MOX+M _UO2 =M

(3)

式中：M 为热堆装料质量，根据公式(3)求得，M _MOX为MOX燃料装料质量，M _UO2 为UO₂燃料装料质量，R _e为钚回收效率，C _PU为UO₂乏燃料中Pu浓度，C _PM为MOX燃料中Pu浓度。

式中：M 为每年反应堆的装料量,tHM/a；Q 为每年反应堆的产热量，GWd/a；B _d为卸料燃耗GWd/tHM；P _e为核电机组电功率GW，h 为发电热效率；L 为容量因子。

循环的物料平衡数据主要取决于PWR的相关参数，受容量因子、热电转换效率、卸料燃耗、燃料富集度、贫铀浓度等因素影响。表5给出的数据可作为重要参考，建立开路热堆循环各环节之间的物料关系，对于1 GW标准PWR构成的开路热堆循环，每年装卸燃料量约22 t，需天然铀约180 t。

表6 闭式热堆循环年物料平衡参数

Table 6 The annual material balance parameters of the closed thermal reactor nuclear fuel cycle scheme

2.3 快热联合循环

快热联合循环中段以快堆、热堆为主，在后段，乏燃料从堆内卸出，经冷却水池暂存后进行再处理。再处理提取U进入铀转化环节，在热堆内复用，提取超铀元素(TRU)进入TRU元件制造环节，在快堆内使用。再处理后的放射性废物直接进入最终处置。1 GW标准热堆和1 GW标准快堆构成的快热堆联合循环流程如图4所示。

快热堆联合循环由热堆循环和快堆循环两部分构成。在热堆循环中，UO₂乏燃料从热堆中卸出，经中间贮存池冷却后进行后处理，分离回收超铀元素(TRU), 用于快堆燃料制造，同时裂变产物被分离直接进行玻璃固化处置。在快堆循环中，快堆燃料进入快堆燃烧后，卸出的快堆乏燃料经过中间贮存池冷却后进行快堆乏燃料后处理，回收分离TRU继续用于快堆燃料制造，同时快堆乏燃料分离后剩下的裂变产物被回收并送往处置库进行最终处置。

图4 闭式快热堆联合循环流程图
Fig. 4 The closed fast-thermal reactor nuclear fuel cycle scheme

快热联合循环达到平衡的条件是每年快堆所需供料的TRU质量与从循环中卸出的UO₂乏燃料和快堆乏燃料能够回收的TRU质量相等，满足公式(4)和公式(5)。

疣体面积减少大于50%的小组的最终治愈率为47%；疣体面积减少小于50%的小组最终治愈率为34%，P=0.133差异无统计学意义。

M _TRU,NFR=(M _TRU,SUO2 +M _TRU,SFR)·R_e

(4)

M _TRU,X=M _X·C _TRU,X

(5)

式中：M _TRU,N _FR为每年快堆所需供料的TRU质量；M _TRU,SUO2 为每年热堆乏燃料中包含的TRU质量；M _TRU,S _FR为每年快堆乏燃料中包含的TRU质量；Re 为后处理回收率；X为燃料类型，包括热堆乏燃料S _UO2、快堆乏燃料S _FR和快堆新燃料N _FR，C 为各燃料的TRU浓度。

根据物质守恒和分离功的定义，假设铀金属在各环节加工和回收时损耗率为0，可求得图4所示的快热联合循环每年的物料平衡参数，如表7所示。

表7 快热联合循环年物料平衡参数

Table 7 The annual material balance parameters of the closed fast-thermal reactor nuclear fuel cycle scheme

续表

表7是总功率1 GW时，标准PWR和标准FR构成的快热联合循环每年物料平衡数据，主要取决于PWR和FR的相关参数，受容量因子、热电转换效率、卸料燃耗、燃料富集度、贫铀浓度等因素影响，其中热堆和快堆数量占比为2∶3，即总功率1 GW下，热堆占0.4 GW，快堆占0.6 GW，3台标准快堆加上2台标准热堆构成的快热联合循环可达到平衡。对于1 GW的快热联合循环，每年装卸燃料量为13.7 t，产生废物0.9 t，需天然铀约63 t。

2.4 主要参数比较

综上所述，可得到单位装机容量(1 GW)下3 种核燃料循环每年的物料平衡参数，如表8所示。

在表8中，当废物为乏燃料元件时，最终处置的废物体积约为2 m³/tHM，当废物为裂变产物经玻璃固化后，最终处置的体积约为0.465 m³/tHM，铀利用率为循环产生裂变产物质量与循环消耗天然铀质量的比。其中，三种核燃料循环每年的资源消耗量与废物产生量对比如图5所示。

图5 三种循环每年资源消耗和废物产生量比较
Fig. 5 The comparison of the resource degradation and trash quantity among three cycle schemes

表8 三种核燃料循环每年的物料平衡参数

Table 8 The annual material balance parameters of three cycle schemes

通过比较分析可知，与开路热堆循环相比，闭式热堆循环节和快热联合循环的物质和能量消耗更低，资源利用率更高，排放废物质量和体积更小，其中快热联合循环表现最佳，相关参数对比如表9所示，与开路热堆循环比较，天然铀节省方面，闭式热堆循环节省22.3%，快热联合循环节省65.2%；铀资源利用率提高方面，闭式热堆循环提高28.7%，快热联合循环提高165.5%；分离功节省方面，闭式热堆循环节省12.5%，快热联合循环节省60.8%；废物排放方面，闭式热堆循环质量减少84.1%，体积减少87.7%，快热联合循环质量减少95.4%，体积减少99.0%。因此，闭式核燃料循环在节省资源和能源消耗、减少废物质量和体积、减轻环境危害等方面表现更佳，其中快热联合循环表现最好。

表9 与开路热堆循环主要参数比较/%

Table 9 The comparison of the main parameters of three cycle schemes/%

3 循环经济计算

3.1 计算模型

冬剪时剪除病枝梢，清扫落叶烧毁；发芽前喷3-5波美度石硫合剂，或喷1：2：160波尔多液。展叶后可喷硫酸锌石灰液（硫酸锌0.5 kg，消石灰2 kg，水120 L），也可喷65%代森锌500倍液。

(6)

式中：i 代表核燃料循环上的第i 个环节；F 为费用；C 为价格；M 为重金属质量或分离功；f 为损耗率(假设为0)；R 为贴现率；ΔT 为前置或延后时间。

NPV基于核燃料循环各环节成本现金流计算，是各环节成本对基准年(核反应堆运行)贴现值的和，满足计算公式(7)。

热堆参数来自国际上的1 GW标准压水堆参数，快堆参数来自国际上的1 GW标准试验快堆参数，如表1所示^[15]。压水堆和快堆核燃料成分如表2至表4所示。

(7)

核燃料循环的平准化成本(LFCC)，即每度电所需的核燃料循环成本，满足计算公式(8)。

(8)

以上三个核燃料循环方案的前段一致，包括铀矿冶、铀转化、铀浓缩以及核燃料元件的制作，差异主要体现在堆内运行环节和后段。本研究从铀资源消耗、废物排放、循环成本三个方面对三个核燃料循环方案的综合效益进行比较，给出核燃料循环可持续发展的合理建议。

因为是在网上直接交易，随时可以进行交易，消费者不定时间、不定次数的下单。所以交易的频率增高，跨境电商物流运送的次数也就增高。

因此，按照计算公式(6)～公式(8)构建经济模型，可以对不同类型核燃料循环的经济性作分析比较。

3.2 计算参数

以前面章节所述的1 GW标准核燃料循环为基础，对于开路热堆、闭式热堆、快热联合三种核燃料循环，每年的物料平衡量、单位价格、每环节前置或延迟时间如表10所示。其中，物料平衡参数来源于物料平衡计算，价格参数通过查阅文献获得，核燃料循环在前段的天然铀、铀转化、铀浓缩的价格是可靠的，核燃料循环在后段的乏燃料后处理、MOX燃料元件、TRU燃料元件以及地质处置的相关价格还无法获得可靠值，假设后处理生产快堆燃料的价格是后处理生产UOX燃料价格的2倍。贴现率统一取7.6%。

表10 核燃料循环物料平衡量、价格参考值、时间选项 ^[16]

Table 10 The parameters of the annual material balance, price, and time of three cycle schemes

续表

注：“-”表示前置时间。

3.3 结果分析

3.3.1 成本分布比较

按照价格标准值计算各燃料循环成本分布如图6所示。分析可知，三种核燃料循环的成本分布情况不同，开路热堆循环的成本主要集中在天然铀和铀浓缩环节，铀浓缩成本最高；开路热堆循环的成本主要集中在天然铀、铀浓缩、MOX燃料和后处理四个环节，铀浓缩成本最高；快热联合循环的成本主要集中在天然铀、铀浓缩、TRU燃料和后处理四个环节，TRU燃料成本最高。后处理会引入新成本，同时降低循环天然铀和铀浓缩成本，对于整个核燃料循环过程，天然铀、铀浓缩、新燃料制造、后处理是构成核燃料循环成本的主要因素，约占总成本的80%以上。

图6 三种核燃料循环成本分布
Fig. 6 The cost distribution of three cycle schemes

4.3.2三种循环经济性比较

1)虽然钻头的扩孔率达到预期效果，但通过井径实测曲线可以看出，井径波动范围较大，井径结构不规则，扩孔效果还有进一步增强的空间；

分析比较三种核燃料循环的经济性，天然铀价格在10～360$/kg范围内变化，后处理价格在200～1600 $/kg范围内变化，其余成本不变，通过计算各核燃料循环成本，可拟合出核燃料循环经济性比较曲线，如图7所示，快热联合循环的经济性始终优于闭式热堆循环，天然铀价格越低，开路热堆循环经济性越好，后处理价格越低，闭式循环经济性越好。统计发现，闭式热堆循环比开路热堆循环成本平均高6%，快热联合循环比开路热堆循环成本平均低27.3%。

图7 三种核燃料循环成本比较
Fig. 7 The comparison of the cost of three cycle schemes

4 结论

本研究比较了开路热堆循环、闭式热堆循环、快热联合循环三种核燃料循环方案的综合效益，得出快热联合循环的综合效益最佳，是核燃料循环产业发展的最佳方案的结论。

铀资源利用方面，与开路热堆循环比较，闭式热堆循环节省天然铀22.3%，快热联合循环节省天然铀65.2%；闭式热堆循环铀资源利用率提高28.7%，快热联合循环铀资源利用率提高165.5%；闭式热堆循环节省分离功12.5%，快热联合循环节省分离功60.8%。增加后处理环节的闭式核燃料循环方案，与开路核燃料循环方案相比，能够大幅度节约天然铀资源并减少能耗，显著提高循环的铀资源利用率。

修辞，英文所称的figure of speech或rhetoric，我们亦可以称其为文辞或修饰文辞。“修辞”本义就是修饰言论，我们利用多种语言手段以收获尽可能好的表达效果的一种语言活动。

循环经济性方面，与开路热堆循环比较，闭式热堆循环成本平均提高6%，快热联合循环本平均降低27.3%。随着天然铀价格越低，开路热堆循环经济性越有优势，随着后处理价格越低，闭式循环经济性越有优势。快热联合循环的经济性始终优于闭式热堆循环。三种循环之间能够寻找到经济平衡点，如图7所示，可根据不同天然铀价格和后处理价格比较三种循环方案经济性的优劣，选取合理的核燃料循环方案。

环境保护方面，与开路热堆循环比较，闭式热堆循环的废物产生质量减少84.1%，体积减少87.7%，快热联合循环的废物产生质量减少95.4%，体积减少99.0%。闭式循环的环境效益明显优于开路循环，快热联合循环优势最大。

本研究给出了三种核燃料循环随天然铀、后处理价格分布的经济平衡曲线。其中，快热联合循环经济性始终优于闭式热堆循环，闭式循环与开路循环经济性优势交替出现。因此，根据天然铀价格和后处理成本的变化情况，按照图示经济性优势区可选择最合理的核燃料循环方案。

参考文献

[1] 贾宝山.核能与核技术概论[M].北京：原子能出版社，2001：1-2.

[2] 连培生.原子能工业[M].北京：中国原子能出版社，2002:23-24.

[3] 王俊峰.核燃料循环分析技术[M].北京：中国原子能出版社，2013:1-3.

[4] 周明圣，姜东君.核燃料循环导论[M].北京：清华大学出版社，2016:5-7.

[5] 任德曦，肖东生.核能经济学[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2014:563-566.

[6] Karpius, Peter Joseph. Brief Overview of the Nuclear fuel cycle[Z].LA-UR-17-22400,2017.

[7] 冷伏海，刘小平，李泽霞，等.钍基核燃料循环国际发展态势分析[J].科学观察，2011，6(6)：1-18.

[8] WNA. China’s Nuclear Fuel Cycle[OL].2017, http://www.world-nuclear.org/Home/Information Library/Country profiles/Countries A-F/China: Nuclear Fuel Cycle.

[9] WNA. Nuclear Fuel Cycle Overview [OL].2017, http://www.world-nuclear.org/Home/Information Library/Nuclear Fuel Cycle/Introduction/ Nuclear Fuel Cycle Overview.

[10] Wikipedia. Nuclear Fuel Cycle[OL]. http://en. m. wikipedia. org/wiki/Nuclear_fuel_cycle.

[11] 顾忠茂.我国先进核燃料循环技术发展战略的一些思考[J].核化学与放射化学，2006,28(1):1-10.

[12] 周超然，王宇钢.三种核燃料循环战略中长期平衡物质流的计算[J].北京大学学报，2015,51(3):377-383.

[13] HoreLacy I. Nuclear Electricity[M/OL].7thed. UIC Ltd. and the World Nuclear Association 2003, Chapter 5 :2-3. http ://www.world-nuclear.org.

[14] Kim J I , et al. German Approaches to Closing the Nuclear Fuel Cycle and Final Disposal of HLW[J]. J Nucl Mater, 1996,238 :1-10.

[15] Deutch J M. The future of the nuclear fuel cycle[R/OL].(2011-04-26)[2014-02-21].http://mitei.mit.edu/publications/reports-studies/future-nuclear-fuelcycle.

[16] Chaoran Zhou, Xuegang Liu, Zhongmao Gu, Yugang Wang. Economic analysis of two nuclear fuel cycle options[J]. Annals of Nuclear Energy 71 (2014) 230-236.

Comparison of the Comprehensive Benefits of Three Nuclear Fuel Cycle Schemes

CAO Dianpeng^1,2，ZOU Shuliang¹，TANG Dewen¹，XIAO Weiwei¹，YU Jie³

(1.University of South China, Hengyang of Hunan Prov. 421001, China;2.China National Nuclear Corporation, Beijing 100822, China;3.CNNC Environmental Protection Co.,Ltd, Beijing 100191, China)

Abstract ：The optimal development of nuclear fuel cycle industry is to consume the least amount of nuclear resources, produce the highest quality economic benefits and cause the least environmental harm. In this study, the comprehensive benefits of three nuclear fuel cycle schemes, namely, open circuit thermal neutron reactor cycle(OTC), closed thermal neutron reactor cycle(CTC) and fast-thermal neutron combined cycle(FTC) are compared from three aspects of uranium resource consumption, waste discharge and cycle cost. The study shows that the utilization of uranium resources, compared with OTC, the CTC saves 22.3% of the natural uranium, the FTC saves 65.2% of the natural uranium, the utilization ratio of uranium resources in the CTC is increased by 28.7%, the utilization ratio of uranium resources in the FTC is increased by 165.5%, the separative power of the CTC is saved by 12.5%, the FTC saves 60.8% of the separative power. The CTC with increased post-processing link can greatly reduce natural uranium resources, reduce energy consumption and significantly improve uranium resource utilization ratio. In terms of economy, compared with OTC, the CTC cost increases by 6% on average, and FTC cost decreases by 27.3% on average. The economic advantage of the OTC is enhanced with the decrease of the natural uranium price. The economic advantage of the CTC is enhanced with the lower reprocessing price. The economy of the FTC is always better than that of the CTC. In this study, the economic balance point among the three cycles is determined, and compared with the economic advantages and disadvantages of the three cycle schemes according to different natural uranium price and reprocessing price, so as to select the economical and feasible nuclear fuel cycle scheme. In terms of environmental protection, compared with the OTC, the waste production of the CTC decreases by 84.1%, the volume reduces by 87.7%, the waste production of the FTC reduces by 95.4% and the volume reduces by 99%. The environmental benefit of CTC is obviously better than that of OTC, and the advantage of FTC is the greatest. The conclusion is that the FTC has the best comprehensive benefits and is the best choice for the development of nuclear fuel cycle industry.

Key words ：Nuclear fuel cycle; Comprehensive benefits; Resource utilization ratio; Economy; Environmental benefits

收稿日期： 2019-03-17

作者简介： 曹殿鹏(1985—)，男，黑龙江安达人，硕士研究生，高级工程师，现从事耐事核燃料研究

中图分类号： TL9

文章标志码： A

文章编号： 0258-0918(2019)05-0809-12

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