核燃料循環與材料
關注創建者：寒寒boy 創建時間：2017-12-28
核燃料循環與材料的實例教程
核燃料循環產業是整個核工業產業鏈的一環，也是核能發展的大動脈，包括鈾礦
開采、冶煉
、轉化純化、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、核電站反應堆等
多
個環節。
從礦產開發到最終的地質填埋，通常會
經歷一個完整的燃料循環。
核燃料是指含有易裂變核素，能夠在反應堆內實現自持鏈式核裂變反應的物質。
核燃料棒最核心的材料是
二氧化鈾
，由天然鈾提煉而成，鈾礦需經過勘探開采、
水冶、鈾轉化與鈾濃縮等過程，最終送往核燃料加工廠制造出核燃料元件。
在核
燃料成本結構中，天然鈾所占比例最高，達到
49%
。
然而我國鈾礦資源并不豐富，
主要依賴進口。
1. 鈾礦開采方面：
我國屬于貧鈾國，國內大部分鈾資源屬于非常規鈾，開采成本較高，主要依賴進口。目前全球鈾資源主要供應國家有哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、加拿大、納米比亞、尼日爾和澳大利亞。根據 WNA、中核集團、海關總署、立鼎產業研究網數據，我國 2017 年鈾礦對外依存度約為 84%。而由于該行業具有國家安全意義，我國僅中核集團及中廣核有資格從事鈾礦開采和進出口業務。
天然鈾是核工業的基礎原料，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
化學處理，通常稱為
水冶
，即鈾的提取和精制，一般在礦山附近進行，鈾化學濃
縮物制成后會進行外運，為了便于儲存和運輸，一般會制成鈾的氧化物形式。
展開 隨著未來國內核電裝機規模的大幅增長，中國對核燃料的胃口越來越大。
作為重要的戰略資源，核燃料市場邁出了第一步。6月底，國家發改委發布2018年版的《自由貿易試驗區外商投資準入特別管理措施（負面清單）》明確，刪除“核燃料、核材料、鈾產品以及相關核技術的生產經營和進出口由具有資質的中央企業實行專營”的限定。這其中，與核領域相關的放射性礦產冶煉、加工，核燃料及核輻射加工相關制造業的限制全部解除。
國家國防科技工業局副局長王毅韌此前就曾明確表示，今后我國將在核電相對集中的東南沿海地區建立具有國民競爭力的核燃料產業園，為核電發展提供一站式服務。目前中國大多數核燃料企業地處經濟基礎較為薄弱的中西部地區。此次放開，除了依然禁止投資放射性礦產的勘查、開采、選礦，對于核燃料其他環節放開幅度較大。同時，加強工業用各類放射源及相關產品的研發、制造、經營與技術服務，并逐漸形成規模化的發展，大力提升核技術在材料、核放射儀器儀表等產品市場份額。
作為反應堆核熱轉換的基本單元以及放射性裂變產物包容的首道屏障，核燃料自誕生至今，已經歷多次升級換代和技術革新。誠如國家科技重大專項及中核集團科技專項“龍舟-CNSC乏燃料運輸容器研制”項目原型樣機通過驗收，這意味著中國核燃料貯存和運輸材料實現國產化。業內預測，三代核電將在“十三五”后期進入批量化建設階段，屆時國內核電機組造價可控制在16000元/千瓦左右，與計入環境成本的火電電價相比也具備潛在的競爭力。
伴隨核電規模化發展，以及自主核電品牌誕生，中國近年來在先進核燃料領域的研發投入逐年增長。而在具體的投資方式上，以海外老牌企業與國內相關的企業進行合資的可能性更大，但也不排除會有其他方式進入。根據“十三五”規劃，到2020年，我國核電運行裝機將達到5800萬千瓦，在建裝機將達到3000萬千瓦。
展開 壓水堆是目前國內外核電站廣泛使用的反應堆。壓水堆核電站的核燃料使用鈾235含量為3%~5%的低濃鈾，其生產過程包括鈾礦開采、鈾冶煉、鈾轉化、鈾濃縮和燃料元件制造等過程。
鈾礦開采
將開采出的鈾礦石破碎，在水中研磨成漿狀液，然后用硫酸將礦石粉中的鈾浸出。另一種技術稱作“原地浸出”，該技術無需將礦石采出，只需將浸取液（包括酸法或堿法）直接通過鉆孔注入適合于地浸的砂巖型鈾礦將鈾浸出，然后將含鈾的浸出液引到地面上，進行后續的分離工序。目前國際上采用“原地浸出”技術的約占40%以上。
鈾冶煉
將獲得的含鈾水溶液，進行離子交換等分離、純化過程，再經過沉淀、過濾、干燥，獲得亮黃色的八氧化三鈾，俗稱“黃餅”。
鈾轉化
將黃餅進一步去除雜質以后，將固體八氧化三鈾轉化為鈾濃縮工序所需的氣體形態──六氟化鈾。
鈾濃縮
將鈾235的含量從天然水平（0.7%）提高到3%~5%。早期的鈾濃縮采用氣體擴散法，目前廣泛使用的是氣體離心法，激光分離技術是各國正在研發的新一代鈾濃縮技術。
燃料元件制造
首先將鈾濃縮產生的鈾235含量為3%~5%的六氟化鈾氣體，轉化為二氧化鈾固體粉末，再將其壓制成芯塊并通過高溫燒結獲得芯塊陶瓷體，然后將陶瓷芯塊拋光后裝入包殼制成燃料棒，最后將燃料棒組裝成燃料組件。
來源：核輻社HFS
展開 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。
展開 同理，中國核燃料產業唯有擴大全球布局，產能和背后的資本才能得以輸出，才能形成控制力，低彈性、單一市場的風險才能得以分散，國內基礎市場才有可能攻守易形，自主核電技術“走出去”才能有體系支撐?！白叱鋈ァ保辽僭诋a業高層和幕僚們的意識里，已然不應該是什么新鮮的說辭。貿易爭端會有，政治沖突會有，退縮的意識不能有。國內市場始終是基礎市場，產業市場化和國際化勢在必行。
今天看來，國內核燃料加工產業今后最艱巨的發展任務，就是要不斷突破國際市場傳統玩家建立的貿易、非貿易壁壘，打破和重建這個體系。不同商用堆核燃料的特異性，決定了在國內核燃料全面“走出去”的過程中，自主核電技術的出口將扮演至關重要的角色?！叭A龍一號”未實現全球規模布局之前，具有通用性的低濃鈾產品（5%以下）將成為產業開拓國際市場的不二擔當。從體量上來看，國內低濃鈾的供應能力已經進入全球總供應的第一序列。
三、產業進程
話鋒回轉，當前核燃料行業管理者面臨的一個現實問題是，核燃料專營是否會導致專營企業發展內在動力不足、錯失歷史機遇？而放開市場是否又會擊垮羽翼未豐的產業體系、甚或影響國家安全？回答這個問題確需客觀和理性。在國家推動經濟轉型的宏觀背景下，有一個全體性的共識和訴求，就是要求行業管理者在“中國制造”轉向“中國創造”的過程中，一方面要采取正確的戰略和策略保障，另一方面又要為實施產業戰略升級提供足夠的資源縱深和時間緩沖。當然，策略和緩沖必須是有時效的。和一般產業不同的是，國內核燃料產業在整合空間上，可供行業管理者裁汰的參與主體不是太少，而是沒有。這樣的情形對于行業管理者而言縱然苦惱，但卻也更有利于實現行業的垂直管理和實施更高效的產業戰略。至少從國內核燃料產業的發展歷史來看，這樣的行業管理是一貫的；從發展需求來看，還要有新思路新作為。
展開 
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■逢甲大學 / 彭信舒 副教授
(轉載自繁體版ACMT電子技術月刊No.070)
前言
運用數字制造提升供應鏈韌性，發展潔凈能源和低碳制程技術，以永續科技落實綠色循環新經濟是后疫情時代國家重要前瞻政策，也是本屆德國杜塞道夫(Dü sseldorf)國際 橡塑膠展K2022(K-Show)重要展出主題。 塑料是由不可再生資源生產的，其來源有限，不當處理將可能使部分化學成分或元素對環境產生不良影響
阿貢國家實驗室的研究人員正在開發遠程監測系統，以確保放射性材料在儲存
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二氧化鈾
，由天然鈾提煉而成
隨著人們對環境保護的認識逐漸提高和自然資源的不足，質子交換膜燃料電池(PEMFC)將到了社會，受到越來越多的關注。與傳統能源相比，PEMFC具有效率、壽命、零排放、低溫快速啟動等特點，可以同時解決部分問題。能源和環境保護兩大世界難題是未來最有希望的能源之一。目前，PEMFC開發和商業化進程局限性主要來自可靠性、耐久性差和高成本。
PEMFC的重要組成部分雙極板約占電池堆棧的80%，成本約占
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中國工程院歐陽曉平院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》
來源 | MarkAI@知乎
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來源：材料學網
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