（王立志，中国科学技术大学，核能科学与工程）

      前言：

核能是解决未来能源问题的关键，其中乏燃料问题是核能发展所面临的问题之一。今天在这里整理一下核燃料从使用到处置的过程，让您分分钟了解核燃料。 

      1.什么是乏燃料

反应堆内部其实和烧水差不多。堆芯就像是一个巨型的“热得快”。 ▼

只不过“热得快”是靠通电加热，“烧”的是电；堆芯是靠复杂的核反应加热，“烧”的核燃料，主要成分是铀元素。“烧”的过程就是成千上万的小中子，打在燃料上，燃料发热了。▼

核燃料被做成一段一段的，称为燃料芯块。▼

但是芯块不是直接放在反应堆内的，而是一个接一个连成棒，用金属包住，做成燃料棒。▼

做成棒状是不是和“热得快”长得像好多了。外面这层金属称为燃料包壳，成分为金属锆。

但是那么大个的反应堆，只放几根燃料棒不过瘾，因此把燃料棒捆到一起，组成燃料组件。一个反应堆内一次放好多捆儿。▼

核燃料“烧”过之后，也会变成渣渣，就像煤烧完变成煤渣似的。▼

这些“烧”过的核燃料就称为乏燃料。

      2.乏燃料的存储

刚出炉的乏燃料仍然是发热的，这部分热量称为衰变热，是由于衰变产物的β衰变。因此必须给乏燃料降温，降温方式有两种，用水或者空气。用水降温就是放在水池内，称为湿式存贮。水池可以是人工建造的，也可以是利用岩洞内的水池。▼

用空气降温的称为干式存贮，世界各国已建成的干式储存设施主要有空气冷却储存室、干式混凝土容器、混凝土干井及金属容器四种。▼

由于乏燃料不只是热，还具有强烈的放射性，存储过程中通过钢板和混凝土将放射性屏蔽掉。否则一个个小粒子就像是变小的孙悟空，从身体穿过一次，就会干掉几个细胞。▼

      3.乏燃料后处理

变废为宝，循环利用，一直是可持续发展所倡导的。乏燃料内也有很多值得利用的元素，因此就把它们那么晾着太可惜了，要对乏燃料进行后处理，取出有用的元素。首先来看一下，乏燃料里面有什么。

新的核燃料内含有3%的铀-235,97%的铀-238。▼

而乏燃料内的成分就复杂了，3%的高放射性水平的裂变产物，1%的铀-235，1%的钚和95%的铀-238。其中铀和钚都是可以利用的元素。裂变产物中也有一些可利用的元素，锶-90、铯-137和超铀元素镎、镅和锔等。▼

因此，要想回收利用这些可用元素，需要对乏燃料进行后处理。处理过程分为：冷却、首端处理、分离与净化。▼

冷却，就是之前提到的放在大水池子内降温。

首端处理，开始像是切葱花一样，将乏燃料组件切割成小短段，然后将从包壳中裸露出来的燃料芯块进行化学溶解。当然葱花是在菜板上切，乏燃料是在水池底部遥控切割。▼

有时候仅仅切割还不能把包壳和燃料分离，这时候就需要用化学试剂将包壳溶解。溶解包壳和芯块所用的化学试剂主要是硝酸。▼

乏燃料分离方法可分为水法和干法两大类。

所谓水法，就是把乏燃料溶解在化学试剂中，滤掉渣渣，提取想要的元素。主要有：磷酸铋流程、Redox流程、Butex流程、Purex流程等。迄今为止，工业化后处理厂采用的都是水法技术。而水法后处理的主导工艺是1949年由美国橡树岭国家实验室发明的Purex流程。主要采用硝酸、磷酸三丁酯、煤油或正十二烷等化学试剂。▼

所谓干法，就是利用挥发、结晶等方法，不用硝酸等化学试剂，而是用液态金属、熔盐等。干法流程主要有：高温冶金法、高温化学法和氟化挥发法。▼

      4.乏燃料后处理中的废料

尽管通过后处理技术可以将乏燃料中可利用的元素提取出来，但是在后处理过程中难免会产生一些核废料，其中一些元素具有很强的反射性。

对于放射性废气的处理，主要方法是是对其进行净化。对于放射性废水的处理，就像汤太咸了，向里面加水一样，进行稀释，稀释后经过一系列化学处理后再做成固体。▼

对于放射性固体废物的处理，主要是深地质层处置，采用水泥、沥青、塑料、玻璃、有机和无机涂料、金属等包覆设备表面或整体，将放射性核素长期固定和封闭在固化体中，固化后存放到入深地层处置库内，使其与生物圈隔离。▼

比较著名的深地层处置库为美国的尤卡处置库，位于拉斯维加斯山谷西北80英里（130公里）处，内华达州南部中心地区靠近与加利福尼亚州交界处的山脊线内。▼

1987年，美国国会通过《核废物政策法修订案》(NWPAA)，指定尤卡山场址为唯一高放废物处置库候选场址。

2002年7月9日，由总统推荐并经美国国会批准，尤卡山场址被确定为高放废物地质处置的最终场址。

2008年6月，在大幅拖延后，美国能源部向核管会递交了长达8600页的尤卡山处置库建造许可证申请书。

2009年，奥巴马在赢得选举后，表示将削减2010财年尤卡山项目的全部拨款。

2010年3月3日，能源部正式向核管会提交申请，撤销尤卡山处置库建造许可证申请书。美国唯一的高放废物地质处置项目已经正式终止。▼

      5.未来乏燃料的出路------嬗变

所谓嬗变，就是利用核反应一种化学元素转化成另外一种元素。例如将乏燃料内长寿命的裂变产物转化成短寿命的。这个过程可以在加速器驱动次临界系统 (ADS)中实现。▼

      结束语：

“合抱之木，生于毫末；九层之台，起于累土；千里之行，始于足下。”尽管乏燃料的一些问题还有待解决，但是我坚信，随着科学和技术的发展以及电站运行经验的积累，乏燃料的处理技术会越来越先进，越来越成熟，核能终将解决人类的能源问题。