核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)是整個核工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的一環(huán)，也是核能發(fā)展的大動脈，包括鈾礦
開采、冶煉
、轉(zhuǎn)化純化、同位素分離、燃料元件制造、乏燃料后處理、放射性廢
物處理處置、核電站反應(yīng)堆等
多
個環(huán)節(jié)。
從礦產(chǎn)開發(fā)到最終的地質(zhì)填埋，通常會
經(jīng)歷一個完整的燃料循環(huán)。
核燃料是指含有易裂變核素，能夠在反應(yīng)堆內(nèi)實現(xiàn)自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)的物質(zhì)。
核燃料棒最核心的材料是
二氧化鈾
，由天然鈾提煉而成，鈾礦需經(jīng)過勘探開采、
水冶、鈾轉(zhuǎn)化與鈾濃縮等過程，最終送往核燃料加工廠制造出核燃料元件。
在核
燃料成本結(jié)構(gòu)中，天然鈾所占比例最高，達(dá)到
49%
。
然而我國鈾礦資源并不豐富，
主要依賴進(jìn)口。
1. 鈾礦開采方面：
我國屬于貧鈾國，國內(nèi)大部分鈾資源屬于非常規(guī)鈾，開采成本較高，主要依賴進(jìn)口。目前全球鈾資源主要供應(yīng)國家有哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、加拿大、納米比亞、尼日爾和澳大利亞。根據(jù) WNA、中核集團(tuán)、海關(guān)總署、立鼎產(chǎn)業(yè)研究網(wǎng)數(shù)據(jù)，我國 2017 年鈾礦對外依存度約為 84%。而由于該行業(yè)具有國家安全意義，我國僅中核集團(tuán)及中廣核有資格從事鈾礦開采和進(jìn)出口業(yè)務(wù)。
天然鈾是核工業(yè)的基礎(chǔ)原料，鈾元素分布廣，但其礦床非常有限。一般鈾含量在千分之一以上的鈾礦就具有開采價值，露天礦或開采條件較好的礦也可以開采。
由于礦石中有較多廢石，因此需要先進(jìn)行選礦，鈾礦加工先將礦石濃集成鈾含量
較高的
U3O
8
，俗稱
黃餅
，黃餅中
U3O
8
的含量一般在
40-80%
。
制成黃餅的濕法
化學(xué)處理，通常稱為
水冶
，即鈾的提取和精制，一般在礦山附近進(jìn)行，鈾化學(xué)濃
縮物制成后會進(jìn)行外運，為了便于儲存和運輸，一般會制成鈾的氧化物形式。
2.鈾的轉(zhuǎn)化純化：
黃餅在提純后，會被送至鈾的濃縮工廠，加工成六氟化鈾。天然
鈾元素含量分別為
238U 99.28%
，
235U 0.71%
及
234U 0.006%
。
而要滿足核電
發(fā)電的需求，就要提升
235U
的含量。
工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)富集鈾的方法，主要有
擴(kuò)散
法
和
離心法
2
種。
1
）擴(kuò)散法，即利用六氟化鈾（氣態(tài)）種不同鈾同位素氣體分子
的質(zhì)量差進(jìn)行分立，已有
50
余年歷史，技術(shù)較為成熟，但缺點是耗電量大。
2
）
氣體離心法：
是生產(chǎn)富集鈾的主要方法，
利用離心力將氣態(tài)六氟化鈾同位素分立，
于上世紀(jì)
90
年代開始用于工業(yè)生產(chǎn)，耗電少，但投資較大。
當(dāng)鈾的濃度提高至
4%
左右時，將鈾混合物粉末燒結(jié)成二氧化鈾陶瓷芯塊。
3.核燃料組件的制作：
二氧化鈾是核燃料棒的核心材料。二氧化鈾瓷芯塊為直徑
約
1
厘米，高
1
厘米的圓柱體
。
幾百個芯塊疊在一起裝入直徑
1
厘米，長度約
4
米的細(xì)長
鋯合金材料套管
內(nèi)，管的厚度為
1
毫米左右。
因為核裂變反應(yīng)就像是在
燃燒原子，因此稱為燃料棒。
隨后，燃料棒還需要放入燃料棒組件架，一般幾百
根燃料棒會按照一定間隔，按照
15*15
，或
17*17
排列并被固定成一束，即燃料
組件。
一般，一整個燃料組件主要由上下管座、格架、控制棒導(dǎo)向管和燃料棒組
成。
4.乏燃料的冷卻及儲存：
隨著核電運行，燃料中裂變核素鈾逐步消耗，不足以維
持裂變反應(yīng)，從反應(yīng)堆中取出的燃料稱為
乏燃料
，或輻照過的燃料。
把已經(jīng)使用
的
3%-4%
的鈾廢料（乏燃料），以化學(xué)方法將鈾和钚從裂變產(chǎn)物中分離出來，稱
為乏燃料再溶解和后處理技術(shù)，這也是
核燃料循環(huán)后段中最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)
。
但一般在乏燃料進(jìn)行后處理之前，會先進(jìn)行冷卻，原因在于乏燃料比活度非常高，
且釋放大量衰變熱，必須貯存一段時間后再進(jìn)行后處理。
乏燃料貯存按照時間長
短可以分為
短期貯存、中間貯存、長期貯存
三種。
其中，短期貯存即在乏燃料在后處理前先短期貯存幾個月-幾年時間。一般動力堆
乏燃料的冷卻時間不少于
3-5
年，經(jīng)過冷卻后的乏燃料經(jīng)過自然衰變，其放射性
活度和釋熱效率降低，也可以緩解后處理工藝上的技術(shù)難度。
中間貯存
較為重要，
它可以使后處理的時
間推遲幾十年，為尋求放射性廢物最終處置方案爭取時間。
長期貯存
一般是采用濕法的水池和干法的金屬容器、混凝土密封容器、地下室、
干井等。
根據(jù)《乏燃料的長期貯存與處置》，濕法及干法貯存的時間可達(dá)到
50
年
甚至更長時間。
一般，在反應(yīng)堆貯存池裝滿后，后處理廠產(chǎn)能可以滿足需求之前，
通過建造新的離堆貯存設(shè)施，來進(jìn)行中長期貯存是唯一可能的解決方案。
5.乏燃料的后處理與鈾回收：
乏燃料后處理的目的主要是提升資源利用率、降低
對環(huán)境的威脅
。
目前，全球處理乏燃料的方式主要有兩種，一種是開放式，一種
是閉式循環(huán)。
簡言之，
開放式燃料循
環(huán)即經(jīng)過簡單的冷卻、剪切、封裝后運往合
適地點，直接填埋，目前瑞典、加拿大、西班牙、美國主要采取這種方式。
閉式
燃料循環(huán)
即分離乏燃料中的鈾、钚元素進(jìn)行再利用，降低其活性和放射性，并將
高放廢物進(jìn)行填埋的處理方式。
目前法國、英國、俄羅斯、日本、印度、中國均
采取這種技術(shù)路線。
目前，全球最成熟的乏燃料后處理技術(shù)為 PUREX 技術(shù)，主要包括首端處理、萃
取分離及凈化、尾端處理三個緩解。
其中，
首端處理
主要工序包括乏燃料組件的
切割、去包殼、燃料芯塊溶解、過濾、調(diào)料、尾氣處理等。
萃取分離凈化
的目的
在于對鈾、钚于放射性裂變產(chǎn)物的分離和凈化。
尾端處理
的目的主要在于將鈾、
钚元素轉(zhuǎn)換成經(jīng)濟(jì)且易儲存的形式，如四氟化鈾、二氧化钚。
鈾在再處理過程中回收的材料中占很大一部分，法國、英國、日本均有回收再處理的企業(yè)。乏燃料中約有 96%是剩余未反應(yīng)的鈾元素，多數(shù)為 U-238，小部分為U-235,一般 U-235 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要小于 0.83%。由于燃耗的限制，乏燃料中 U-235的估計都仍然要比天然鈾高，且钚等其他元素可以提取出來加以再次利用，制作成新的燃料組件。（完）
文章來源：嘿嘿能源heypower
