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摘 要

近50年，人类经济飞速发展，能源消耗随之急速增多。当前人类能源供应主要依靠化石燃料，燃烧化石燃料释放出大量温室气体，造成严重的温室效应。核能作为一种低碳能源，热值较化石燃料高出几十倍。合理利用核能可以大幅减少一次能源的消耗，降低温室气体的排放量。世界上越来越多国家加大对核能的研究，核能在各国能源结构中的占比也越来越大。

世界上现行的核燃料循环方案主要有三种：一次通过循环方案、闭式热堆循环方案以及闭式快堆循环方案。闭式快堆循环方案仍处于实验室阶段，前两种方案已经投产使用。国际上这两种方案的优劣仍存在争议，各国对方案的选择也不尽相同。我国明确采取闭式循环方针，但是由于我国核电事业起步较晚，核燃料循环技术不够成熟，还未能真正实现闭式循环路线，所以现阶段仍然实行一次通过循环方案。

本文参考当前运行的商用压水堆参数，建立平衡物质流模型，在年发电量1TWh情况下，对开式一次通过循环方案进行了详细的物质流计算。结果表明，一次通过循环方案下，产生1TWh电量，需消耗天然铀20582.8kg，消耗分离功15325.3kgSWU，产生乏燃料2102.4kg，天然铀利用率仅为0.61%。而后将上述结果与同等运行条件下闭式热堆循环方案的物质流进行对比分析，仅从核资源利用率、放射性核废料产出量两方面进行评价，开式一次通过循环方案并不占优势。此外，发电成本将是最终检验一种电力形式是否被市场接受的重要标准，同时闭式核燃料循环路线所需的先进技术及商业化设施的配套也将是我国未来能否成功实施闭式核燃料循环战略的关键。

关键词： 核燃料循环 平衡物料流 一次性通过

Material flow calculation and quantitative analysis of once-through nuclear fuel cycle with light water reactor

Abstract

In the past 50 years, development of the human economy has resulted in a rapid increase in energy consumption. Burning fossil fuels causes severe greenhouse effect. As a low-carbon energy source, nuclear energy has a calorific value several times higher than fossil fuels. Proper use of nuclear energy can greatly reduce the consumption of primary energy and reduce greenhouse gas emissions. More and more countries in the world are increasing their research on nuclear energy, and nuclear energy's share in the energy structure of various countries is also increasing.

There are three main nuclear fuel cycle options in the world: the once-through cycle(OTC) option、the thermal reactor recycle(TRR) and the fast reactor along with thermal reactor recycle(FRR). The fast reactor along with thermal reactor recycle is still in the laboratory stage. The first two schemes have been put into production. The pros and cons of these two schemes in the world are still controversial, and different countries have different choices. China clearly adopts the closed cycle policy. China's nuclear fuel cycle technology is not mature enough to truly implement a closed cycle route, so the once-through cycle program is still implemented.

This paper refers to the parameters of the currently operating commercial pressurized water reactor to establish a balanced material flow model. The results show that under the once-through cycle, 1TWh of electricity is generated, which consumes 20582.8kg of natural uranium, 15325.3kgSWU of separation work, and generates 2102.4kg of spent fuel. Comparing the utilization rate of nuclear resources and the output of radioactive nuclear waste with the closed thermal reactor cycle scheme, the once-through cycle scheme is not dominant. In addition, The cost of power generation is related to whether the form of power generation is accepted by the market. At the same time, the matching of technology and commercial facilities will also be the key to whether China can successfully implement the closed nuclear fuel cycle strategy.

Key words: nuclear fuel cycle equilibrium material flows once-through cycle

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1. 课题背景及意义 1

1.1.1. 我国核电发展背景 1

1.1.2. 我国铀资源储量 1

1.1.3. 我国核能发展状况 2

1.1.4. 国外核能发展状况 3

1.2. 核燃料循环方案概述及国内外发展定位 4

1.2.1. 核燃料循环概述 4

1.2.2. 国内外核安全监管体制 5

1.2.3. 国内外核燃料循环方案选择 7

1.3. 核燃料循环国内外分析研究现状 7

1.4. 本文的研究思路及研究结构 8

第二章 核燃料循环方案流程简述及平衡物质流计算 9

2.1. 核燃料循环方案流程 9

2.1.1. 一次通过循环方案前端流程简介 9

2.1.2. 一次通过循环方案 11

2.1.3. 闭式热堆循环方案 11

2.2. 一次通过循环方案物质流计算方法 12

2.2.1. 反应堆基本参数 12

2.2.2. 反应堆燃料成分及乏燃料成分 13

2.2.3. 一次通过循环方案物料流计算模型及基本公式 13

2.3. 一次通过循环方案物质流输入数据 15

2.4. 本章小结 16

第三章 平衡物质流计算结果及分析 18

3.1. 一次通过循环方案物料流计算结果 18

3.1.1. 一次通过循环方案物料流计算结果 18

3.2. 闭式热堆循环方案物料流计算结果 19

3.3. 物料流计算结果分析 21

3.3.1. 一次通过循环方案物料流计算结果分析 21

3.3.2. 一次通过循环方案与闭式热堆循环方案物料流计算结果分析 21

3.4. 两种循环方案物料流综合分析 25

3.5. 本章小结 25

第四章 结论和展望 27

4.1. 结论 27

4.2. 展望 27

参考文献 29

致谢 32

第一章 绪论

• 1. 课题背景及意义
     1. 我国核电发展背景

我国是人口大国，随着经济高速发展，对能源的需求也逐年增加。迄今为止，化石燃料（尤其是煤炭）仍然是满足中国能源需求的主要能源，这会给环境和人们的生活条件带来不利影响，例如全球变暖和空气污染^[1]。为了降低二氧化碳排放并减轻化石燃料消耗对环境的压力，未来的新能源必须在经济上具有可行性，对环境友好，易于被公众接受并可以大规模实施^[2]。

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