作者：刀口團隊 / 瀚海狼山

在有關核武器、核能、甚至是核事故的新聞和資料中，“核燃料棒”是一個非常常見的名詞。核燃料棒是什么？是一根真正的棒子嗎？核燃料棒是如何發出核能的？現在筆者就來粗略解釋一番。

在說核燃料棒以前，我們先說說天然鈾礦。因為天然鈾礦是所有核武器工業和核能工業的基礎礦藏。

天然鈾礦中的鈾，是以固體化合物的形式，儲存在地球地殼中，地球內部的深處也有鈾，但人類目前的技術，只能利用地表以下3000米以內的淺地殼內的天然鈾。天然鈾在地殼中的含量極低，不到百萬分之2.5，比所謂珍貴的金礦的含量還低幾個數量級。因此天然鈾礦非常珍貴和罕見。世界上天然鈾礦儲量最大的國家是澳大利亞，其次是加拿大和哈薩克斯坦，中國的天然鈾礦儲量相對國土面積屬于比較貧乏；當然，美國國土內的天然鈾礦儲量也不高，中美的核電站，未來都需要進口部分鈾礦石。

天然鈾礦結晶，一般呈現灰綠色或者黃綠色，其中主要可利用的成分是鈾235，天然鈾的鈾235富集度為0.714%，其他99%，是不能再裂變利用的鈾238，這就是經常被提到的貧鈾，貧鈾可以用來做彈芯和貧鈾裝甲，但貧鈾不可能百分百的被提純，里面仍然混雜含量為千分之幾的鈾235，仍然具有放射性，因此利用貧鈾的風險較大。

這里必須說明，天然鈾礦和鈾礦石都具有放射性，但這種天然的放射性，并不是特別嚴重。大型天然鈾礦周邊，仍然會正常的生長動植物和有人類生存，并不會因為某地出產天然鈾礦，而導致這個礦周邊幾十里寸草不生。只有通過專用的放射性檢查儀器，才能發現鈾礦床附近的放射指標，高于沒有放射性礦物的地區。

有鈾礦床的地區，放射指標只會比普通地區高一到兩倍，對常年居住在此的人類的影響非常有限。只是一些和放射性有關聯的疾病，略微比其他地區高。比如，假設正常地區的出現白血病患者的概率是每十萬人3例。那么鈾礦附近居民的患病概率是每十萬人4例左右。

因為天然鈾礦的放射性較低，開采和提煉過程，對直接接觸鈾礦石的礦工影響也有限，只需正常穿戴工作服和口罩，就可以起到較好的防護作用。

新中國剛剛成立的五十年代，在全國大規模普查天然鈾礦，曾經在廣西某地最早發現了天然鈾礦的原石，這塊礦石被稱為中國核工業的“開業之石”。并且這塊石頭，被迅速送到北京懷仁堂，給包括毛主席、周總理在內的最高層現場觀看。這個故事也說明天然鈾礦放射性很低，對人類是基本安全的。

天然鈾礦石之所以相對安全，在于天然鈾（有多種同位素）的半衰期是以7億到幾十億年來計算。天然鈾在地球形成后就開始衰變，到現在放射性已經很低。天然鈾主要對外偶然性地釋放阿爾法射線，這種射線其實就是氫原子的質子核。只需一張A4紙，就可以擋住阿爾法射線。而人的衣服和皮膚都完全可以隔絕阿爾法射線。不會對人體內部組織造成影響。

天然鈾礦被開采出來以后，初加工多采用“水冶法”提煉。通俗的講，就是“加入其他配料水煮”，加工后得到的產品一般是重鈾酸銨，呈現黃色塊狀或者粉末狀，俗稱“黃餅”。黃餅的放射性仍然較低，加工工人仍然只需穿戴防護級別較低的工作服。

黃餅提純后，再被送到專門的鈾濃縮工廠，加工成六氟化鈾，采用氣體離心機提高純度。當鈾濃度被提高到4%左右，再把這種鈾混合物粉末，燒結成的二氧化鈾陶瓷芯塊（相當于把陶土燒成陶瓷）。鈾瓷芯塊為直徑1厘米，高度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，厚度為1毫米左右的細長鋯合金材料套管內，最終制成一根可以進入反應堆進行“核燃燒”的燃料棒。

加工后的二氧化鈾陶瓷塊的放射性仍然不高，甚至還可以被加工工人用手直接拿起了。

打個通俗的比喻：若我們把二氧化鈾燃料塊，看做一塊還沒有放進爐子里燃燒的“煤塊”，那么這種“煤塊”，即不燙手也不會燙人——即輻射性仍然較低。但一旦把這些“煤塊”放進核爐子里（即反應堆）中“點燃”，被燒的通紅，那么他們就非常危險了，絕對不能再直接無防護接近。因為輻射性被“點燃了”，而且核反應后的燃料棒里，將產生非常多的具有極強放射性的新元素，比如鐳、钚、鈷等等！切爾諾貝利和日本福島的核事故之所以致命，就是因為他們都是在大批核燃料棒被燒的通紅，放射性最強的時刻，被炸的到處都是！

即使把取出的乏燃料棒冷卻幾年，仍然具有很強的放射性——等于這些特殊的“煤塊”，一旦被點燃，是很難自然熄滅的。這么理解，就比較容易。

反應堆中的核燃料棒，是先幾十根集中在一起，放入一個長方框框架束縛起來，再把多個方框排列好，依次放入反應堆的核心。可以理解成“把多根柴捆綁成一捆柴”，然后再把157或者177捆柴火，一起豎著放進“爐膛里燃燒”。

這些燃料棒群中間，還穿插插入石墨減速棒群。石墨可以吸收中子，根據插入的深淺，決定核反應的核反應功率——若石墨棒全部升起（抽出），則反應堆進入全功率核反應，但由于鈾濃度很低，也不到臨界體積，并不會引發原子彈式的核爆炸。

若把石墨棒群完全插入燃料棒群之間，則反應堆會很快停止鏈式反應，這就是停堆。

停堆又分為緊急停堆和換料停堆。緊急停堆是由于自然災害或者事故發生；而換料是正常停堆。停堆后，打開反應堆核心容器的上蓋，再用反應堆上方的吊車，將燃料棒方框一塊塊抽出、吊起來，再移入冷卻水池冷卻，然后給堆芯裝入全新的燃料棒方框。民用核電站的每個反應堆，一兩年內就要全面更換新的燃料棒。

我們都知道，點煤爐子要用引火柴。核反應堆同樣需要最初的“點燃棒”，這就是采用一根或者幾根鈾濃度達到10—20%的特殊燃料棒，插入低濃度的燃料棒中間，“點燃”其他燃料棒。其原理是，利用高濃度燃料棒產生的頻率更高的中子輻射，來引發其他燃料棒的鏈式反應，很像點煤爐子用木柴引燃。