氟化铯(谈核色变？带你看看核燃料，核废料都长啥样)

Posted 2023-05-30

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氟化铯(谈核色变？带你看看核燃料，核废料都长啥样)

从核燃料的制造开始说起吧。

先看一张核燃料循环的流程图。

其实核燃料通常用铀、钍和钚这三种元素来进行制造。但是目前应用最多的还是采用铀元素来制造核燃料。

第一步当然是进行铀的勘探和开采。

铀矿石一般长这个样。铀其实是地壳中最常见的元素之一，比银多40倍，比金多500倍，岩石，土壤，河流和海洋中到处都可以找到。

但是商业铀开采面临的挑战主要来自于大部分地区的铀矿床的品质很低，开采的经济性非常差。

全球范围内，铀矿床的分布其实较为普遍，大的矿床主要有分布在澳大利亚，哈萨克斯坦和加拿大，位于加拿大Athabasca Basin地区发现了迄今为止品质最高的铀矿床。

天然铀主要由U-238和U-235组成，其中99.28%都为U-238,只有0.71%是U-235，剩下的0.01%为U-234.

但是世界上大部分的核电站都是需要采用富集度为2%-5%的U-235作为核燃料。

所以铀矿石是不能直接作为核燃料使用的，通常需要一系列复杂的处理流程，才能得到相应的供给核电站使用的核燃料。

接下来是铀提取工艺。

主要是将开采出来的矿石经过破碎，磨细，让铀矿物充分暴露之后方便浸出，之后通过化学试剂将矿石中有价值的组分给溶解出来。

此时得到的浸出液里铀含量低，并且杂质繁多，需要将杂质除掉。

需要进行溶液纯化。

通常采用离子交换法和溶剂萃取法沉淀出铀化学浓缩物，

相应的浓缩物通过洗涤，压滤和干燥过程后得到黄饼（Yellowcake）。

黄饼通常有由天然铀组成的干粉状材料，但是并不一定都是黄色的。

接下来是铀的转化过程（Uranium conversion）。

根据用途，上述的黄饼，有两种转化途径：

1、对于大部分核电站来说，会将其转化为六氟化铀。此时六氟化铀依然是99.28%的U-238和0.71%的U-235.

2、对于CANDU这种不需要富集燃料的堆型来说，只需将其转化为二氧化铀，可以包含在陶瓷燃料元件中。

六氟化铀UF6

UO2

然后还有铀的浓缩。

0.71%的U-235是远远达不到核电站燃料的要求（轻水堆，3.5% U-235）的，所以需要将上一步得到的六氟化铀进行浓缩，提高U-235的丰度.

这一步主要采用气体扩散法和离心分离法，通过相应的同位素分离技术，将六氟化铀浓缩为军民用核燃料所需要的丰度。此外还有激光法，喷嘴法，电磁分离和化学分离等方法。

铀浓缩方法通常还是非常敏感的技术，各国均有相应程度的保密机制。

具体方法在这里不再阐述，也不是这篇回答的重点关注对象。

浓缩铀

在这个处理过程中，除了会得到相应的浓缩铀，还会有大量的副产品产生，分离后的尾料也叫贫化铀（DU），可以制作贫铀弹（0.3%丰度），装甲，辐射屏蔽体和镇流器等。

各类型号贫铀弹

最后，就可以制造反应堆的燃料组件了。

燃料组件是长这个样子的。

局部放大看是这个样子的。

装在这些管子里的，也就是丰度为3.5%左右的浓缩铀。装载是以燃料芯块形式填充的。

之后就是愉快的发电了。

其实核燃料和核废料之间还有个中间产品，叫做乏燃料。

乏燃料又称辐照核燃料，是经受过辐射照射、使用过的核燃料，通常是由核电站的核反应堆产生。核燃料在堆内经中子轰击发生核反应，经一定时间从堆内卸出。它含有大量未用完的可增殖材料铀-238或钍-232，未烧完的和新生成的易裂变材料钚-239、铀-235或铀-233以及核燃料在辐照过程中产生的镎、镅、锔等超铀元素，另外还有裂变元素锶-90、铯-137、锝-99等。这种燃料的铀含量降低，无法继续维持核反应,所以叫乏燃料。

因为乏燃料是需要继续回收利用的，经过一系列的处理之后，会产生最终的核废料。

乏燃料的处理主要是回收乏燃料中残留的铀和钚，主要处理流程见下图：

乏燃料储存水池

核电站取出乏燃料棒

希望可以对大家有所帮助。