核科普第五辑核燃料循环

　　转自 小核爱科普 小核拾光记
　　提到核燃料循环，大家可能会想起轰动全国的＂江苏连云港事件＂。2016年8月6日，江苏连云港有上万市民走上街头在市中心聚集，抗议当地兴建由中法合作，耗资千亿的核废料处理厂，虽然经后续调查表明：这是无良媒体的炒作，中法合作的核燃料循环项目仍然处于谈判阶段[1]。大家抑或会想到近期日本政府宣称要将福岛核电站产生的核废水倒入大海，这则消息引起了全球恐慌[2]。
　　直至今日，公众对核能仍然存在着既定印象。一提到＂核＂，人们率先想到的是：辐射、放射性、核武器、灾难等等。然而事实上，包括核燃料循环在内的核工程并没有我们想象的那么可怕，只要经过科学的处理，整个循环过程不会对我们的生活有害，反而有利于可持续发展。更重要的是发展＂闭式核燃料循环＂是我国的国家重点战略，是我们解决环境、能源问题的重要途径。
　　那么到底什么是核燃料循环？
　　它的战略意义是什么？
　　且听小核娓娓道来。
　　01
　　核燃料循环是啥嘞？
　　它循环啥玩意？
　　核燃料循环是核能生产过程中发生的一切活动，它以反应堆为界分为前段和后段:
　　前段包括铀矿开采、矿石加工、精制、浓缩、燃料制造；
　　后段包括乏燃料中间贮存、后处理*、 废物处置*。
　　根据反应堆运行之后对乏燃料的处置，分为开式循环（又称一次通过循环）和闭式循环两种模式。
　　开式循环中，乏燃料经过中间储存和包装后直接进行地质处置。
　　闭式循环是通过后处理技术回收可再利用成分，只处置剩余的废物产品，提高燃料的利用率[3]。
　　图1 核燃料循环
　　注：
　　处置：侧重于置，主要关注废物的最终去向；
　　处理：侧重在理，主要提供的是方法和思路
　　02
　　既然是铀资源，
　　这玩意可是用来造原子弹的，
　　那不是有很严重的辐射嘛？
　　不是啦，实际上铀的放射性很小。天然铀就存在于我们的地球上，在整个核燃料循环的前段，操作人员都不需要进行辐射屏蔽，是可以和核燃料直接接触的。因此在核燃料制备过程并没有我们想象那样存在大量的辐射。
　　接下来让我们一起来看看核燃料元件是怎么制作的吧！
　　首先对铀矿进行勘探，铀矿石可以分为原生铀矿和次生铀矿。铀矿石的性质和种类直接影响采矿方法的选择，开采富矿宜采用矿石贫化损失小的方案，开采贫矿则可采用效率高、费用低的方案[4]。
　　常见铀矿石见下图[5]。
　　一旦找到了可开采的铀矿资源，这时候就通知专业的铀矿开采公司，准备好专业的工具进行开采（挖掘机啊，卡车什么的都有）[6]。
　　图7 露天开采[7]
　　图8 地下开采[8]
　　当我们得到开采完毕以后的铀矿后，就需要对它进行提纯，精制。主要经过硝酸溶解、过滤、萃取反萃、干燥、蒸发和脱硝等工艺，最后我们得到了铀的初产品-黄饼。
　　图9 黄饼
　　得到黄饼以后，它的纯度还是不够的，而且为了进一步提高铀的浓度，我们需要对产品进一步加工：整个过程很简单，先把黄饼转变为三氧化铀，然后通过化学反应将三氧化铀变为六氟化铀。（怎么样，听起来是不是和矿冶铁/铜很相似）。转化为六氟化铀的原因主要有：六氟化铀易挥发，容易采用离心法；氟没有同位素，质量差完全由U控制，易得到所需要的U-235。
　　得到六氟化铀后，我们只需要对它进行浓缩分离（气体离心法），将U-235丰度从0.712%浓缩到4%（压水堆的核燃料丰度），浓缩完毕后，进一步加工就可以得到我们的核燃料元件啦[9]。
　　图10 操作人员检查压水堆燃料组件
　　03
　　可你之前提到有一次通过方式，
　　那我们为什么要费那么大功夫搞后处理啊？
　　嘿嘿，你问到点子上啦。表面来看，一次通过方式的确很方便，但同时它也存在很大的弊端，让我来给你讲一讲。
　　铀资源不能得到充分利用[3]
　　＂一次通过＂循环方式的铀资源利用率约为0.6 %，而乏燃料中约占96 %的U 和 Pu被当作＂废物＂进行直接处置，造成严重的资源浪费。而最新公布的数据显示，全球已知常规铀资源(开采成本低于130 $/kgU)的储量仅为5.3 MtU。按照当前的发展速度，这些铀资源将在60年的时间内被消耗殆尽，无法满足世界核能可持续发展的需要。
　　需要地质处置的废物体积太大
　　将乏燃料中的废物(裂变产物和次锕系元素)与大量有用的资源(铀、钚等)一起直接处置，将大大增加需要地质处置废物的体积。即使按照全世界目前的核电站乏燃料卸出量(约1×10^4 tHM/a)估算，＂一次通过＂循环方式需要全世界每6-7 年就建造一座规模相当于美国尤卡山库(设计库容 7×10^4 tHM) 的地质处置库。
　　对环境安全构成长期威胁
　　由于乏燃料中包含了所有的放射性核素，其长期放射性毒性很高，要在处置过程中衰变到天然铀矿的放射性水平，将需要10^5 年以上( 图11 最上方曲线所示) ， 如此漫长的时间尺度带来诸多不可预见的不确定因素。所以，＂一次通过＂方式对环境安全的长期威胁极大。
　　图11 不同处理程度乏燃料随时间的衰变情况[10]
　　MA：Minor actinide，次锕系元素
　　04
　　哦~原来后处理那么重要啊！
　　那后处理具体是什么啊？
　　乏燃料放射性那么强，
　　我们怎么解决呢？
　　乏燃料后处理指的是对从反应堆中卸出的核燃料进行处理，以最大限度地回收有用物质并除去其中杂质的过程。
　　乏燃料后处理的工艺方法可分为水法和干法两大类。
　　所谓水法（其中酸法较为常用），就是把乏燃料溶解于酸中，再用沉淀、溶剂萃取、离子交换或吸附等方法使铀、钚与裂变产物互相分离，因各道工序均为水相操作。故称为水法。而干法则恰恰相反，利用的是高温冶金法或氟化挥发法等不需在水相中进行的操作。
　　无论水法还是干法，所处理的原始物质都是固体，产品均为铀和钚的氧化物。
　　水法已在工业上得到广泛应用，主要采取溶剂萃取法，而高温冶金法或氟化挥发法处于研究开发阶段。
　　水法后处理工艺过程主要包括：首端处理、化学分离和铀、钚尾端处理。
　　首端处理
　　首端处理是指从乏燃料元件的接收开始到萃取上料为止的所有操作过程，包括：乏燃料元件的冷却、运输、剪切和浸取。
　　从反应堆卸出的核燃料，在进行化学处理之前，通常都经过一段时间的放置（称为＂冷却＂），将半衰期短的放射核素衰变掉，从而减少活度水平；还使可转换核素吸收中子后生成的中间产物完全衰变为有用的易裂变核素。
　　再把组件式固态乏燃料元件剪切成大约为厘米级的粒状元件，然后装入多孔吊篮，送入浸取设备用硝酸溶解燃料芯块，不溶的空包壳随吊篮提出，用机械压扁，作固体废物处理。
　　化学分离[11]
　　辐照核燃料的化学分离纯化是整个核燃料后处理的核心内容。它的任务是除去裂变产物，高效率地回收核燃料物质。其中萃取法流程因可以连续操作和回收率高而被广泛应用，目前在各种萃取法流程中性能最好、使用最成功的是以磷酸三丁酯（TBP）为萃取剂的PUREX流程，它是世界各国普遍用来处理电站堆辐照核燃料的工艺流程。
　　反应堆中卸出的乏燃料经过首端处理后，乏燃料（U、Pu、FPs）(FPs，Fission products，裂变产物)就溶解在硝酸溶液中。
　　随后采用30%的TBP-煤油溶液在混合澄清槽/萃取柱中对硝酸溶液进行萃取，这时候绝大多数的U和Pu被萃取到了有机相（U、Pu）中，FPs就留在水相中。水相作为高放废液会被进一步处理。
　　有机相（U、Pu）作为产品液会进行还原反萃操作，依次对Pu、U进行反萃、纯化，最后可得到Pu产品和U产品。
　　最后，U反萃工艺中的有机相仍然含有大量可供回收利用的TBP萃取剂，我们只需对有机溶液进行纯化加工，就可以得到新鲜的含TBP的有机溶液。
　　图12 Purex流程示意图[12]
　　尾端技术
　　经过主要化学分离后，对所得到的铀、钚中间产品进行补充净化、浓缩，以及转化为最终产品形态的一整套工艺步骤称为铀、钚尾端处理过程[4]。
　　完整的核燃料循环体系，是一个国家核能和核力量的基础。当前，人们对于核能的关注都集中于核电发展，但核燃料循环在其中发挥着至关重要的作用。只要我们坚定不移地坚持＂闭式核燃料循环＂ 的战略方针，并大力开展后处理流程相关的基础研究，以实际结果来消除公众的＂核恐慌＂，相信公众对于核能的接受度会越来越高！
　　参考文献
　　[1] 新华社. 中法两国深化民用核能合作的联合声明（全文）[EB/OL].(2015-07-02).
　　http://www.gov.cn/xinwen/2015-07/02/content_2888344.htm
　　[2] 新华网. 科普：福岛核废水三问[EB/OL].(2021-04-13).
　　http://www.xinhuanet.com/world/2021-04/13/c_1127325596.htm
　　[3] 顾忠茂,柴之芳.关于我国核燃料后处理/再循环的一些思考(英 文)[J].化学进展,2011,23(07):1263-1271.
　　[4] 周明胜 核燃料循环导论[M]. 北京: 清华大学出版社, 2016.
　　[5] 胡家燕.＂岩矿鉴定＂博客讲座 长篇连载(十三)[EB/OL].(2011-01-13).
　　http://rockblack826.blog.sohu.com/165884390.html
　　[6] 王家臣.金属矿床露天与地下开采[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2008.
　　[7] 时代周报.全球铀矿被少数巨头垄断 中国等国需求惊人[EB/OL].(2012-09-03).
　　https://news.qq.com/a/2 0120903/001401.htm
　　[8] 俄罗斯卫星通讯社.俄最大的铀矿开采商成为 ＂克拉斯诺卡缅斯克＂新超前发展区的首个入驻企业 [EB/OL].(2020-11-18).
　　http://sputniknews.cn/russia/202011181032547399/
　　[9] 吴华武.核燃料化学工艺学[M].北京：原子能出版社，1989.
　　[10] Cashmore R B J B.Fuel Cycle Stewardship in a Nuclear Renaissance[M].London:The Royal Society Science Policy Centre, 2011.
　　[11] 姜圣阶,任凤仪,等.核燃料后处理工学[G]. 北京: 原子能出版社,1995
　　[12] 刘学刚. 核燃料循环后端一体化研究[D]. 北京:清华大学,2004.
　　图文 | 蔡钰彬 杨仲舒 杨钰宁 周嘉辉 王一凡
　　编辑 | 黄丽钦
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