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法国核燃料循环之前端分析

来源: 嘿嘿能源与科技PowerTech 发布日期:2024-10-07

法国每年用于发电的铀氧化物浓缩物(含8200吨铀)约为9700吨,其中大部分来自加拿大的奥若诺(Orano)公司和尼日尔。


除此之外,法国在核能领域实现了自给自足,拥有运行中的转换、浓缩、铀燃料制造和混合氧化物(MOX)燃料制造工厂,以及再处理和废物管理计划。大部分核燃料循环活动由奥若诺公司负责。


法国的核能产业不仅依赖外部供应,还具备强大的自主生产能力和完善的核燃料循环体系,这确保了法国在能源安全和可持续发展方面的领先地位。同时,法国也在积极推动核能技术的创新和发展,以进一步提高核能的安全性和经济性。


转换工艺


在过去的60多年里,奥若诺(Orano)公司一直在其位于法国马尔维西(Malvési)和特里卡斯坦(Tricastin)的Comurhex工厂采用两阶段工艺进行转换。在马尔维西,铀浓缩物(U3O8)被转化为四氟化铀(UF4)。随后,这种四氟化铀被运往特里卡斯坦,进行最终转化为六氟化铀(UF6)。


2007年5月,阿海珐集团(Areva NC)宣布了一项新的转换项目计划——Comurhex II,旨在扩大并现代化马尔维西和特里卡斯坦附近的皮埃尔拉特(Pierrelatte)的设施,以加强其在核燃料循环前端的全球地位。这项耗资6.1亿欧元的项目将使产能提升至每年15,000吨铀(tU/yr),并具备(但尚未计划)提升至每年21,000吨铀的潜力。在靠近穆桑(Moussan)的马尔维西,铀氧化物浓缩物被转化为四氟化铀粉末,然后运往皮埃尔拉特生产六氟化铀。大约40%的产品是按加工费计算或出口的。


2009年1月,法国电力公司(EDF)向阿海珐集团授予了一份长期转换合同。2017年12月31日,阿海珐集团宣布已关闭Comurhex I工厂,该工厂的生产将由Comurhex II接替。2018年初,Comurhex I拥有相当于三年销售量的库存,这些库存将在Comurhex I关闭和Comurhex II开业之间供应给客户。

Comurhex II工厂于2018年9月投产,并于2018年12月开始商业运营,年产能为7500吨。预计该工厂将在2023年前达到每年15,000吨的满额年产能。奥若诺在2018年9月表示,法国电力公司承诺购买约三分之一的总产量,其余部分主要通过长期合同销售给美国、中国、韩国和几个欧洲国家的约70家公用事业公司。


此外,Comurhex还负责再处理铀的转换。


自20世纪80年代以来,奥若诺一直在皮埃尔拉特进行浓缩尾料的去转换工作。其每年20,000吨的W2工厂是世界上最大的此类工厂,它生产的水合氢氟酸(HF)会被回收利用,而贫铀则以化学稳定的U3O8形式长期储存。


浓缩工艺


在过去的33年里,法国的浓缩工作主要在特里卡斯坦附近的皮埃尔拉特进行的Eurodif公司1978年建成的乔治·贝斯I工厂进行,该工厂的年分离功(SWU)容量为1080万分离单位(足以为约81,000兆瓦电力的发电能力提供燃料——比法国总发电量的三分之一还要多)。


Eurodif公司一直是法国最大的单一电力消费者,在其大部分运营时间里,每年消耗约15太瓦时(TWh)的电力。该工厂在2012年年中之前一直以大约一半的产能(使用约800兆瓦电)运行,随后因乔治·贝斯II工厂的替代产能达到每年150万分离单位而关闭。在33年的运营期间,该工厂提供了超过2亿分离单位或35,000吨的浓缩产品。


2003年,阿海珐集团同意购买优铀公司(Urenco)的浓缩技术公司(ETC)50%的股份,该公司涵盖了优铀公司所有的离心机研发、设计和制造活动。这笔交易使阿海珐集团能够使用优铀/ETC技术来替换其在特里卡斯坦效率低下的气体扩散浓缩工厂。经过四个相关政府的批准后,最终协议于2006年年中签署。


特里卡斯坦的新乔治·贝斯II浓缩工厂于2010年12月正式开业,并于2011年4月开始商业运营。这座耗资30亿欧元的双机组工厂在2016年达到了每年750万分离单位的满额年产能(并具备提升至每年1100万分离单位的潜力),由奥若诺子公司特里卡斯坦浓缩公司(Societe d'Enrichissement du Tricastin,SET)负责建设和运营。南厂于2007年开始建设,2011年投入运营,并在2015年达到了每年430万分离单位的满额年产能。北厂于2009年开始建设,2013年3月首次生产,并在2016年底全面投入运营,年产能为每年320万分离单位。阿海珐集团声称,由于积累了经验且没有改变设计,北厂的建设成本比南厂节省了60%。


SET公司正在向客户提供少数股权,苏伊士集团(Suez)在2008年获得了5%的股权。2009年3月,两家日本公司——关西电力公司(Kansai)和双日株式会社(Sojitz Corp)联合获得了2.5%的股权;2009年6月,韩国水电与核电公司(Korea Hydro & Nuclear Power)又获得了2.5%的股权;


2010年11月,九州电力公司(Kyushu Electric Power)和东北电力公司(Tohoku Electric Power)各获得了1%的股权。这些日本持有的4.5%股权被归类为日本法国浓缩投资公司(Japan France Enrichment Investing Co.,JFEI)。作为主要客户,法国电力公司(EDF)选择了签订长期合同,并于2009年2月与阿海珐集团签订了一份价值50亿欧元的长期浓缩合同。该合同为期17年,至2025年结束,与新工厂的折旧期相对应。2007年年中,韩国水电与核电公司还签订了一份价值超过10亿欧元的长期浓缩供应合同,这在当时被描述为阿海珐集团在法国以外签订的最大浓缩合同。


浓缩工艺与铀处理


浓缩工艺将把铀-235的浓度提高到最高6%,而再处理过的铀将仅在第二个、即北厂单元中进行处理。该工厂有潜力将年产能扩大至每年1100万分离单位,可能需要增加第三个单元来实现。


SET工厂为法国电网释放了特里卡斯坦核电站约3000兆瓦的电力容量——每年超过200亿千瓦时(按每千瓦时4欧分计算,这相当于每年8亿欧元)。新浓缩工厂的投资相当于以每千瓦1000欧元的价格购买新的发电能力。GB II工厂仅需约75兆瓦的电力(每分离单位80千瓦时,而GB I工厂则为每分离单位约2600千瓦时)。


每年约产生7300吨贫化铀(DU)尾料,其中大部分储存起来以备未来在第四代快堆中使用。每年仅有100-150吨用于混合氧化物(MOX)燃料。预计到2040年,这一资源总量将达到约45万吨贫化铀。


贫化铀尾料的浓缩工作曾在俄罗斯的诺沃乌拉尔斯克和泽列诺戈尔斯克进行。2006年至2009年间,阿海珐集团和法国电力公司(EDF)的约3.3万吨法国贫化铀通过128批次运往俄罗斯,并返回了约3090吨浓缩后的“天然”铀(铀-235浓度约为0.7%)。这些工作的合同于2010年结束,最后一批货物于2010年7月发出,返回的材料在年底前运回。2021年,再次开始了运输。再浓缩产生的尾料仍留在俄罗斯,归浓缩厂所有。


燃料制造在法国和比利时的几家法马通工厂进行。这些工厂的显著升级是法马通加强其前端设施战略的一部分。下面将介绍混合氧化物(MOX)燃料的制造和再处理铀的使用。


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