论文总字数：23422字

摘 要

开发新型清洁能源是当今世界能源发展的大势所趋，核能就是一种理想的清洁新能源代表之一。核能具备超高的能量密度和优越的能量效率等长足优势，然而随之产生的高放射性、高毒性、高热量的核废料的安全处置问题却是难以解决。因此我们必须寻找并开发出一套适合我国国情的科学、合理、安全的核燃料循环路线来保证未来核能的可持续发展。

本文从核能发展的“大动脉”——核燃料循环着手阐述了我国核电发展现状和乏燃料后处理技术，详细介绍了核燃料循环的概念和不同的核燃料循环路线。详细模拟了半开式核燃料循环路线生产1TWh的电力的物料流过程，并根据计算结果绘制了长期平衡循环物料流程图。最后，结果表明：半开式核燃料循环路线生产1TWh的电力需要消耗天然铀17909.7kg，比开式核燃料循环路线节约天然铀13%，铀资源利用率为0.7%，比开式循环路线提高了14.8%；半开式核燃料循环比开式核燃料循环铀浓缩所需的分离功减少了13%；半开式核燃料循环产生的需要地质处理的乏燃料只有开式核燃料循环的一半。

半开式核燃料循环路线可以提高铀资源利用率，相对于开式核燃料循环路线铀浓缩的分离功也减少了，需要地质处理的乏燃料体积也是大幅度减少。相对于开式核燃料循环，半开式核燃料循环对环境更友好，更加节约资源，对于建设环境友好型、资源节约型人类社会具有良好的贡献。

关键词： 乏燃料后处理 核燃料循环路线 物料流计算

Material flow calculation and quantitative analysis of semi-open nuclear fuel cycle route with light water reactor

Abstract

China has become the world's largest energy-consuming developing country, with billions of tons of standard coal consumed once a year, more than 80% of which are fossil fuels. With this rate of continuous consumption, fossil energy will be exhausted in the next hundred years; at the same time, the use of fossil energy caused by environmental pollution is also a major problem to be solved. The development of new clean energy is the general trend of energy development in the world today, and nuclear energy is one of the ideal clean new energy representatives. Nuclear energy has great advantages such as high energy density and superior energy efficiency, but the problem of safe disposal of nuclear waste with high radioactivity, toxicity and heat is difficult to solve. Therefore, we must find and develop a scientific, reasonable and safe nuclear fuel cycle route suitable for our national conditions to ensure the sustainable development of nuclear energy in the future.

From the "great artery "—— nuclear fuel cycle of nuclear energy development, this paper expounds the present situation of nuclear power development and spent fuel post-treatment technology in China, and introduces the concept of nuclear fuel cycle and different nuclear fuel cycle routes in detail. Based on the calculation results, the material flow chart of the long-term equilibrium cycle is drawn TWh the material flow process of the semi-open nuclear fuel cycle route. Finally, through the comparison and analysis with the open nuclear fuel cycle route from the aspects of natural uranium demand, uranium resource utilization ratio, uranium enrichment separation work, spent fuel generation and disposal, the paper comprehensively evaluates the uranium resource utilization ratio, nuclear proliferation risk and environmental friendliness of the semi-open nuclear fuel cycle route.

Key Words: Spent fuel reprocessing ；Nuclear fuel cycle route ；Material flow calculation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2中国核电发展现状 1

1.3核燃料循环 2

1.3.1核燃料循环概念 2

1.3.2 核燃料循环路线 2

1.4乏燃料后处理技术 4

1.4.1国外研究现状 4

1.4.2 国内研究现状 6

1.5 核燃料循环路线评价研究现状 6

1.6本文主要研究任务和思路 7

第二章 不同核燃料循环路线流程简介及物料流计算 9

2.1核燃料循环路线流程简介及特性分析 9

2.1.1开式核燃料循环路线 9

2.1.2半开式核燃料循环路线 10

2.2核燃料循环的物料流计算 11

2.2.1反应堆参数 12

2.2.2燃料及乏燃料成分 13

2.2.3物料流计算模型及基本计算公式 13

2.3本章小结 19

第三章 结果分析 20

3.1半开式核燃料循环路线长期平衡物料流程图 20

3.2天然铀需求量和铀资源利用率 20

3.3分离功和燃料制造需求 21

3.4核反应前后元素质量变化 22

3.5乏燃料体积和衰变热 23

3.6本章小结 24

第四章 总结和展望 26

4.1总结 26

4.2展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

近几百年以来人类社会开始进入飞速发展的时期，伴随着化石能源的飞速消耗也给世界带来了各种环境问题。全世界气候总体逐渐变暖，极地冰川每年的融化量都在增加，海平面逐年上升，这些都是人类正在遭受的由于环境问题带来的灾难。而更严重的是化石燃料即将枯竭，人类不得不开发新的能源来满足日常生活需求。在过去60 多年间,作为低碳排放的新型能源——核能，为减少全球碳排放总量做出了重要贡献。在未来，核能也必将是人类生活中的重要能源。然而，核能存在放射性问题并且乏燃料处理不好对环境，对我们的后代都将有深远的影响。核燃料循环是核能系统的“大动脉”^[1]，我们必须创建一个符合中国国情的，完整且独立的核燃料循环科研体系和工业化体系才能保证我国的核能得以安全稳步发展以及可持续发展。核能可持续发展的基本要求为：（1）使核能资源得到充分彻底的利用 ；（2）核废物得到妥善处理并且要使核废物最小化^[2]。因此核燃料循环战略研究是当前所有核电国家需要重视的热点问题。

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