核燃料循環(huán)論文

核燃料循環(huán)，也被稱為核燃料鏈，指的是核燃料經(jīng)過在使用過程中所經(jīng)過的一系列不同的階段。它主要包括前端步驟，其中有制造核燃料的過程、使用期間的各個步驟、以及后端步驟，其中有在核燃料使用完畢時或者\o"核燃料再處理"核燃料再處理或者處理\o"乏核燃料"乏核燃料的過程。核燃料循環(huán)有3種主要型式1一次通過。使用過的燃料元件不進(jìn)行后處理，而直接作為廢物加以處置。2熱中子堆中再循環(huán)。使用過的燃料元件經(jīng)后處理回收其中未用完的鈾和新產(chǎn)生的钚，返回重新制造元件，循環(huán)使用。3快中子增殖堆中再循環(huán)?？熘凶釉鲋扯讶剂嫌深泻拓毣櫂?gòu)成。使用過后，經(jīng)后處理回收其中鈾和钚，返回循環(huán)使用。在核燃料循環(huán)中，以反應(yīng)堆為中心，劃分為堆前部分（前段）和堆后部分（后段）。前段指核燃料在入堆前的制備，包括鈾礦的開采、鈾礦石的加工精制（即前處理）、鈾的轉(zhuǎn)化、鈾的濃縮和燃料元件制造等過程。后段指從反應(yīng)堆卸出的乏燃料的處理，包括乏燃料的中間儲存，乏燃料中鈾、钚和裂變產(chǎn)物的分離（即核燃料后處理），以及放射性廢物處理和放射性廢物最終處置等過程。核燃料循環(huán)從開采鈾資源開始。鈾是普遍使用的核燃料。天然鈾中只含0.7%的U235，其余為U238。天然鈾的這個濃度正好能使核反應(yīng)堆實現(xiàn)自持核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，因而成為最早的核燃料，功率密度,一般要用U含量大于0.7%的濃縮鈾。為了把天然鈾中鈾235的含量提高到3%,需要進(jìn)行鈾同位素分離即鈾的濃縮。當(dāng)前工業(yè)規(guī)模的鈾的濃縮工廠以六氟化鈾為供料，因此需要把前處理的產(chǎn)品八氧化三鈾進(jìn)行還原、氫氟化和氟化轉(zhuǎn)變?yōu)榱?，這就是鈾的轉(zhuǎn)化過程。在鈾的濃縮工廠中，六氟化鈾中的鈾235含量被濃縮至3%左右。這樣得到的六氟化鈾須再經(jīng)過一個轉(zhuǎn)化過程變?yōu)槎趸?，才能送至元件制造廠制成含鈾235約3%的低濃鈾燃料元件。為了制成核燃料，濃縮后的六氟化鈾需要轉(zhuǎn)化為\o"二氧化鈾"二氧化鈾（UO2)粉末，隨后制成小顆粒。這些濃縮鈾的小顆粒然后經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，形成堅硬的\o"陶瓷"陶瓷顆粒。這些柱形的小顆粒經(jīng)過研磨，形成均勻的顆粒。根據(jù)\o"反應(yīng)堆核心（頁面不存在）"反應(yīng)堆核心的設(shè)計要求，這些小顆粒需要堆疊在耐腐蝕的金屬\o"合金"合金管中。最后，將這些管道密封起來以保存燃料的顆粒。這些管道被稱為\o"燃料棒"燃料棒。制成的燃料棒放在專門的燃料箱中，以建造核反應(yīng)堆的燃料核心。核反應(yīng)堆中取出的乏燃料包含有大量的\o"可裂變物質(zhì)"可裂變物質(zhì)（如鈾-235、钚-239等）、\o"增殖性物質(zhì)（頁面不存在）"增殖性物質(zhì)（鈾-238）以及其他\o"放射性"放射性物質(zhì)，包括放射性毒素。這也正是燃料需要移除的原因。裂變性物質(zhì)和增殖性物質(zhì)可以通過化學(xué)方法從乏燃料中分離并提取出來。根據(jù)經(jīng)濟(jì)需要和實際情況，分離出來的鈾和钚可以回收重新作為核燃料進(jìn)行利用。剛從反應(yīng)堆中卸出的乏燃料放射性太強(qiáng)，一般需要在冷卻水池中存放3～5年，使放射性大大衰減之后，才送到后處理廠去處理。這個存放步驟稱做中間儲存。從后處理廠得到的含鈾235約0.85%的鈾產(chǎn)品（稱做堆后鈾），又須經(jīng)過轉(zhuǎn)化過程變?yōu)榱?并送至鈾的濃縮工廠,濃縮到含鈾235約3%，然后再轉(zhuǎn)化為二氧化鈾,以便制成燃料元件。從后處理廠得到的钚產(chǎn)品通常是二氧化钚，可儲存起來以備將來利用；也可和二氧化鈾一起制成混合氧化物燃料，返回壓水堆使用，或作為快中子增殖堆的燃料使用。從后處理廠出來的放射性廢物，均須經(jīng)過妥善處理和處置，以確保在長期儲存條件下也不轉(zhuǎn)移到生物環(huán)境中。其中最重要的是占全部廢物放射性約99%的高放廢液的處理和處置。處理的方法是先將高放廢液在不銹鋼大罐中暫時儲存一段時間,然后根據(jù)各國不同的要求,或?qū)⒏叻艔U液直接固化成為硼硅酸鹽形態(tài)的玻璃塊，或先將其中極長半衰期（如钚239需幾十萬年才能衰變到無害水平）的α放射性核素移除，加以利用，或單獨處置，然后再固化成玻璃塊。固化塊經(jīng)包裝后一般要求在地面長期儲存庫儲存數(shù)十年，待其發(fā)熱量衰減到較低時，再送至最終處置庫，在地下深層永久埋藏起來。核燃料循環(huán)方式釷循環(huán)]在\o"快中子反應(yīng)堆"快中子反應(yīng)堆和\o"熱反應(yīng)堆（頁面不存在）"熱反應(yīng)堆中的釷循環(huán)里，\o"釷"釷-232都會吸收一個中子變成釷-233。隨后，釷-233通過β衰變迅速轉(zhuǎn)變成\o"鏷"鏷-233，而鏷-233經(jīng)過半衰期27天的衰變轉(zhuǎn)變成\o"鈾-233（頁面不存在）"鈾-233。由于鈾-233可以作為核燃料，釷-232是一種\o"增殖性材料"增殖性材料。核反應(yīng)堆首先由\o"鈾-233（頁面不存在）"鈾-233或者其他裂變物質(zhì)如\o"鈾-235"鈾-235或\o"钚-239"钚-239啟動，隨后創(chuàng)造了一個和鈾钚增殖循環(huán)類似但是更有效的增值循環(huán)[21]。在某些熔鹽反應(yīng)堆設(shè)計中，循環(huán)中產(chǎn)生的鏷-233會被提取出來，經(jīng)過放置讓其衰變?yōu)殁?233，以防止其被中子照射后產(chǎn)生鏷-234并衰變?yōu)殁?234。這樣做是為了增加反應(yīng)堆的\o"快中子增殖反應(yīng)堆"增值比例。和\o"快中子反應(yīng)堆"快中子反應(yīng)堆相比，熔鹽反應(yīng)堆的增值比例較低?？於砚?钚循環(huán)

從最大限度利用鈾資源的角度來看，應(yīng)發(fā)展快中子增殖堆。這種堆以钚239為燃料,并裝載鈾238,在堆中所裝鈾238轉(zhuǎn)化成為钚239的量大于燒掉的钚239的量，將占天然鈾99%以上的鈾238也利用起來，進(jìn)行鈾-钚循環(huán)。鈾-钚循環(huán)就是在快堆中將鈾238轉(zhuǎn)化為钚239，并通過后處理把钚分離出來,作為快堆的燃料循環(huán)使用。在發(fā)展初期，可用壓水堆后處理得到的钚作為裝料；發(fā)展到一定規(guī)模后，就可用快堆自己增殖的钚作為燃料。

開放核燃料循環(huán)嚴(yán)格來說，開放核燃料循環(huán)并不是一個循環(huán)。這種情況下，核燃料僅僅使用一次，所得的\o"乏燃料"乏燃料便被儲存起來，而不經(jīng)過進(jìn)一步地處理。以下六個國家主要使用這種循環(huán)：\o"美國"美國、\o"加拿大"加拿大、\o"瑞典"瑞典、\o"芬蘭"芬蘭、\o"西班牙"西班牙和\o"南非"南非[15]。某些國家，如瑞典和加拿大，設(shè)計了倉庫對乏燃料進(jìn)行儲存，以備將來在需要的時候可以重新利用，而其他國家計劃將乏燃料永久的深埋在\o"地質(zhì)處置庫（頁面不存在）"地質(zhì)處置庫中。例如美國就有\(zhòng)o"絲蘭山核廢料處置庫（頁面不存在）"絲蘭山核廢料處置庫對核廢料進(jìn)行儲存。釷-鈾循環(huán)

指在熱中子堆中把釷232轉(zhuǎn)化為另外一種核燃料鈾233，通過后處理把鈾233分離出來返回堆中循環(huán)使用。適于采用這種核燃料循環(huán)的堆型是高溫氣冷堆，其科研開發(fā)工作現(xiàn)已接近商業(yè)化階段。在重水堆甚至輕水堆中，也可采用這種燃料循環(huán)方式，科研工作尚處于開始階段。次要錒系元素循環(huán)除了利用钚燃料以外，也可以使用\o"次錒系元素"次錒系元素來作為臨界核反應(yīng)堆的燃料。實驗已經(jīng)證明\o"镅"镅可以作為核燃料[16]。一些反應(yīng)堆的設(shè)計已經(jīng)采用這種非常不同的燃料循環(huán)了，比如\o"整體式快速反應(yīng)堆（頁面不存在）"整體式快速反應(yīng)堆。從原理上說，這種設(shè)計可以通過任何一種錒系元素的裂變中獲得能量。經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計，燃料中所有的超鈾元素都可以被利用，余下的僅僅是半衰期比較短的較輕的元素。然而這些設(shè)計僅僅有原型方案，在真正的大規(guī)模核反應(yīng)堆中還從未采用過這些設(shè)計。第一個采用這種能消耗所有錒系元素的反應(yīng)堆最早也要到2015年才能完商業(yè)部署。由于這種技術(shù)會形成具有中子輻射的化合物，使用這些技術(shù)的核反應(yīng)堆很有可能需要通過先進(jìn)的遙控技術(shù)進(jìn)行再處理。例如，\o"鋦"鋦在中子照射下會形成非常非常重的錒系元素\o"锎"锎和\o"鐨"鐨，這兩種元素會自發(fā)裂變。因此，若不采用遙控手段，對包含鋦的乏燃料進(jìn)行\(zhòng)o"中子輻射（頁面不存在）"中子輻射會對循環(huán)后處理的人員有極大的威脅。這是這種核燃料循環(huán)的缺點之一，但是另一方面，這也使得核原料難以被盜竊或者分散，有助于防止HYPERLINK"/wiki/%E6%A0%B8%E6%93%B4%E6%