(闽强 中国科学技术大学 核能科学与工程)

摘要：核电——作为有望取代化石能源的新能源以其在环保性和经济性的特殊优势被世界各国所广泛采用，但是它所伴生的辐射危害却也常常引起人们的恐慌。核燃料——作为反应堆中最为关键的一部分，本文将向你展示核燃料的完整制备与处理过程……

       一、核燃料的制备

与原子弹爆炸的原理相同，在核反应堆中实现能量的不断产生依靠的是中子与铀元素的链式裂变反应，核反应堆所用的燃料铀来自于铀矿。铀矿在地壳中的含量很低通常为百万分之二左右，铀矿石有土状、粉末状、块状、钟乳状肾状等等，铀矿石色彩绚丽，但大多含有较高的放射性。我们国家的铀矿资源并不丰富，目前已探明的油矿资源储量位居世界前10开外，因此需要长期进口铀矿以满足日益发展的核电需要。

Figure 1 铀矿石

在探明铀矿后接下来就应该开采铀矿了，铀矿的开采与普通矿石的开采方法大体相同，主要分为露天开采和地下开采，所区别的是作为具有放射性的矿产，在开采过程中需要进行放射性检测以确保开采过程中的辐射安全性，特别是在地下开采中要注意放射性气体氡气及其衰变子体的监控。

Figure 2 铀矿开采

开采得到铀矿石后为了提取出矿石中的有用的元素，我们需要对铀矿石进行浸取。所谓浸取就是用强酸溶液或者强碱溶液通过与铀矿石发生化学反应，将铀矿中的大部分铀元素以可溶性无机盐的形式保存在浸取溶液中。目前常用的浸取方法有两种——堆浸和地浸。简言之，堆浸就是在矿区将矿石粉碎后就地浸取；地浸相比堆浸省去了开采矿石与粉碎矿石等步骤，直接将浸取溶液通过管道输送至地底下的矿区，再提取含铀的溶液进行处理。

接着我们将提取出来的富含铀元素的溶液送至核燃料生产厂进一步提纯就可以得到铀的氟化物(UF6)也就是我们通常说的黄粉或者黄饼了。

Figure 3 铀矿浸取

Figure 4 （UF6）（黄粉）

由于自然界中铀235的丰度很低仅为0.71%左右，也就是说我们可以用来直接作为反应堆的易裂变核燃料的元素仅占提取的元素中的0.71%，其余的大部分是不能直接作为易裂变核素使用的铀238，因此在制作核燃料前我们需要对得到的铀元素提纯到4.5%左右也就是对铀进行浓缩。目前常用的铀浓缩技术有气体扩散法、气体离心法和激光法。其中我们经常在新闻消息中常听到的某某国家进行铀浓缩实验所用的就是气体离心法，它的工作原理与我们家用洗衣机脱水的工作原理一样，利用物质的惯性及质量差将质量稍大的铀238“甩出”，而质量较小的铀235留在原地，经过多次离心便可以使得铀235所占的分量大为提高，虽然离心的原理很简单但是实际工作中想要得到高纯度的浓缩铀绝非易事，除了国际法规不允许高纯度的铀浓缩行为，高质量离心机的制造也同样考验一个国家的工业水平。在此，笔者要给开拓我国核弹事业的科技工作前辈点一个赞！

Figure 5 铀浓缩离心机

通过上述过程我们已经得到满足核燃料用要求的低浓缩铀，接下我们通过氧化、制胚和烧结等过程就可以制成核燃料芯块了。

Figure 6 核燃料芯快

图片上的一个个小圆柱颗粒就是反应堆里面用的核燃料哦，可能有人要问了：为什么可以直接用手拿核燃料呢，不担心放射性的问题吗？在这里笔者结合多年的核专业学习经验告诉你，刚生产出来的新的核燃料其实并没有很强的放射性，其中铀235衰变放出的放射性粒子主要是α粒子，但是由于α粒子太过“笨重”，不足以穿透一张普通白纸，因此图中工作人员的手套足以抵挡新燃料的放射性了。虽然说α粒子的穿透性很弱但是可千万不能忽视他的，因为α粒子如果进入人体可是会造成很严重的内照射辐射损伤哦，这可能就是所谓上帝关了一扇门，就会打开一扇窗吧！好了，言归正传。我们接着将得到的燃料芯快放入用耐高温的Zr-4（锆）合金管中就制成了常见压水反应堆中的燃料棒了，通常在反应堆中我们将近百根燃料棒捆在一起作为一个整体组成燃料组件来使用以方便核燃料在反应堆中的更换。此外，笔者在这里想多唠叨一点的是：核燃料元件根据反应堆型号的不同除条棒状外还有球形和板状等哦。

Figure 7 核燃料组件

好了，通过上述过程想必你已经对核燃料的生产制作过程有了一个清晰的了解吧。但是千万不要试图自己制备核燃料哦，除了国家法规不允许外，制作过程中稍不留意就会对身体产生很严重的辐射损害哦！该行为只是作者******的假想，仅供一笑。

二、乏燃料的后处理

如同普通火电厂一样，核电厂也需要定期更换燃料。但是与火电厂不同的是，通常核电厂反应堆中核燃料更换的时间约为18月，并且由于从反应堆中卸下来的核燃料具有十分高的放射性（核电厂主要的放射来源），因此卸下来的核燃料不能随意处置。

目前国际上常见的对从反应堆卸下来的核燃料（以下称为乏燃料）后处理方法大体上有两种：“一次通过”和“闭式循环”。

所谓一次通过就是寻找一处荒无人烟、地质环境稳定的场所将乏燃料深埋到地下数公里深处，正所谓眼不见为净。一次通过的费用低、处理简单、技术要求低在核电发展的前初期被以美帝为首的部分国家出于核扩散、国际******等原因而推崇。但是在某种程度上“一次通过”的方法并没有解决乏燃料的问题，只是现有后处理技术不成熟的无奈之举。

随着科学技术的发展“闭式循环”的方法逐渐成熟并被大家所认知。所谓“闭式训环”就是通过一系列物理和化学方法对乏燃料进行后处理，分离其中的放射性较高的有害核素回收未”燃烧“完全的铀和钚，实现铀资源的重复利用。我国作为一个发展中国家没有走先污染后治理的旧资本主义发展的老路，而是践行科学发展观，强调人与环境和谐友好相处，在乏燃料的退役及后处理问题上至始至终坚持“闭式循环”的方法实在难能可贵。

乏燃料“闭式循环”的方法大体上可以分为两类：“干法后处理”和“湿法后处理”。其中已经商业应用的方法是湿法后处理。就在不久前我们与法国签订的乏燃料后处理厂的合作建设协议就是该类方法。

在乏燃料从反应堆内卸下来后不可以直接进行后处理，因为刚卸下来的乏燃料由于其本身会持续的产生衰变热并具有很高的放射性，因此我们通常将乏燃料放入一个大水池中进行冷却，冷却时间视情况而定一般不少至少2年。图中泛着蓝光的水池就是专门用来存放乏燃料的水池，那悠悠的蓝光是由于切伦科夫辐射所造成的，虽然水能够对乏燃料的辐射起到一定的屏蔽作用，但是笔者绝不推荐去乏燃料水池中潜水，虽然它的温度很适合泡澡。

Figure 8 乏燃料水池

乏燃料棒从乏燃料水池中取出后，我们首先要对它进行脱壳也就是把乏燃料棒外面包裹着的锆合金除去以方便处理内部乏燃料芯快。通常使用的方法有化学法、机械法和同时溶解法。现阶段世界各国所倾向用的是机械法，就是通过机械方法将乏燃料棒剪碎。需要注意的是，由于乏燃料高放射性的特点，在剪碎乏燃料棒的操作过程中一般使用自动机器或者机械手臂隔离进行远距离操作。

Figure 9 剪碎后的乏燃料组件

剪碎后的乏燃料元件将被送至溶解装置中进行溶解。通常使用硝酸（HNO3）溶液对剪碎后的乏燃料元件进行溶解，其中乏燃料块中的铀、钚和裂变产物将会溶解在硝酸中，而外面的锆合金包壳由于稳定性较好则不会溶解，因而实现了包壳和燃料芯块的分离。

将溶解有铀钚的溶液收集起来，再经过预处理、酸度调整、铀浓度调整、钚价态调整等一系列过程就可以用有机树脂材料TBP（磷酸三丁脂）与煤油的混合物对溶液进行萃取分离了。

Figure 10 磷酸三丁脂（TBP）

至此我们已经得到了分离纯化的铀和钚了，我们得到的铀和钚又可以制作核燃料重新投入到反应堆中使用。此外，笔者偷偷告诉你：钚239是作为原子弹的材料哦！

最后，笔者想说的是虽然闭式循环实现了核燃料的部分循环再利用，但其中部分具有极高放射性的由裂变反应产生的物质并没有被消除，他们大多也摆脱不了被水泥固化并深埋的命运。为解决乏燃料的真正安全处理问题，由我国中科院牵头核能安全技术研究所、高能物理研究所等研究单位合作的中科院战略性先导专项ADS反应堆的研究设计为这一目标的实现提供了可能。限于篇幅限制，在此不在赘述。有兴趣的读者可以通过中科院核能安全技术研究所官方网站或其他途径获取