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什么是核燃料及核燃料循环?

发布日期:2018-01-11 信息来源:广东省辐射防护协会 字号:【

核电的产生离不开核燃料,正如化石能源燃烧产生的热能离不开化石燃料。核燃料可利用铀、钍和钚这三种元素制造。目前,应用最多的是利用铀元素制造的核燃料。铀是从自然界的铀矿中获得的。

但自然界的铀不像煤一样,直接作为燃料使用,而是需要一系列复杂的提纯、同位素分离(富集)、加工等过程才能作为燃料在反应堆中反应。为方便描述,人们通常把从铀矿的勘探和开采、铀的加工和精制、铀的转化、铀的同位素分离、核反应堆元件的制造、核燃料(乏燃料)进行后处理以及放射性废物的处理与处置,形成的循环系统称为核燃料循环。核燃料循环构成了核能工业的基础。在核燃料循环中每一步骤都具有重要意义。

1、铀勘探和开采

如采煤一样,铀矿也需要先探勘,再进行相应的开采。开采出的铀矿石一般需经过物理选矿并筛选掉相当一部分废石,以提高待处理的矿石纯度(也称为矿石品位)。

2、铀加工和精制

主要包括铀矿石预处理、铀矿石浸出、铀的浓缩与纯化以及铀的精制与转化等步骤,这些过程统称为冶炼。简言之,通过化学处理等方法,提取铀矿石中的铀元素,通常得到纯净的铀氧化物。

3、铀转化与富集

铀元素在自然界中由3种同位素组成,234U、235U、238U。在天然铀中,三者的比例是一定的。235U通常仅占0.7%,但世界上绝大多数核电厂都使用235U含量为2%~5%的低富集铀作为核燃料。因此,铀加工和精制得到的产品铀氧化物需要进一步富集得到含235U较高的铀的产品。这个过程通常称为铀富集或同位素分离。

铀同位素分离是核燃料循环中是十分重要、十分敏感的技术。235U与238U的物理性质和化学性质相同,原子核的质量数相差3。铀同位素分离就是利用这个微小的质量数差采用物理或化学方法分离富集的,分离需要庞大的设备,消耗大量的能量。

现在普遍采用的工艺是:将铀加工或精致中制得的铀氧化物通过化学方法转移成UF6通过扩散或离心分离,得到含235U核素较高的UF6。其工作原理如洗衣机脱水时的原理一样,通过离心旋转,轻的物质更容易被甩出去,而剩下的是较重的物质。

4、核燃料元件生产

达到富集度要求的UF6,即可通过化学工艺再转化为UO2等固体化合物,制造成固体核燃料。核燃料通常以燃料元件的形式出现。如同煤有时候也须制作成蜂窝煤状,便于燃烧与控制。燃料元件的主要作用是作为核燃料的基本单元,导出链式裂变反应产生的热量,阻留强放射性的裂变产物防止其泄漏。

5、核电厂

核燃料制品在核电厂反应堆中,发生了原子核反应。通过相关控制,可控的产生能量,并最终转换成电能供人类使用。

6、后处理厂

反应堆使用过的核燃料,称为乏燃料,经冷却后可送往后处理厂进行进一步处理,其目的是回收乏燃料中残留的铀和钚,把裂变产物变成有利于长期储存的形式,同时获取原子核反应后产生的镎、镅等次要锕系元素和其他有用的放射性同位素。

综上所述,核燃料循环涉及到地质开采、化学反应、物理加工等多种技术工种、多个厂矿和大量的生产。

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