核燃料循环
中国核网 | 核能行业必读的公众号概述核裂变能可持续发展涉及三个层次的关键技术：改进和提高热堆核能系统水平，从“第二代”向“第三代”技术发展；发展快堆核能系统，实现铀资源利用最优化；发展核燃料循环和核废物处理和处置技术（包括核废物嬗变），实现核废物最少化。所谓核燃料循环是指核燃料的获得、使用、处理和回收利用的全过程，或为核动力反应堆供应燃料和其后的所有处理和处置过程的各阶段。该技术可以用来生产核燃料，也可用于制造核武器；核燃料循环工业是建立和发展核工业的基础。核燃料循环包括核燃料进入反应堆前的制备和在反应堆中的裂变及以后处理的整个过程。进入反应堆前的过程为核燃料循环前端，从反应堆卸出后的处理和处置为核燃料循环后端。
核燃料循环示意图
一、核燃料循环前端1.1第一环节——铀矿的普查勘探铀矿普查与勘探是指在具有成矿远景的地区，为找寻和评价铀矿床进行的地质调查研究工作。铀矿普查和勘探是两个不同勘查阶段，铀矿普查指的是在具有成矿远景的地区内，为寻找和评价铀矿床而进行的地质调查研究工作；铀矿勘探指的是对经过普查、详查已确定具有工业价值的铀矿床，应用有效的勘查技术手段和方法，为矿山设计提供可靠的矿石储量和必要的地质、技术和经济资料而进行的地质工作。
2016年2月世界主要产铀国占世界总产量比重
1.2第二环节——铀矿石的采冶包括铀矿石的开采、加工和铀的精制。把具有工业价值的铀矿石从矿床中开采出来，然后加工成核纯的重铀酸铵、三碳酸铀酰胺、八氧化三铀、二氧化铀，为进一步制备各类核燃料提供原料。我国在铀矿冶创建初期，就实现了从矿石到二氧化铀的工业生产，目前铀的地下浸出、堆浸和原地爆破浸出新工艺都已投入生产。
中国第一块铀矿石
1.3第三环节——铀的同位素分离铀同位素分离，即235U的富集，以达到所需的富集度。我国铀同位素分离开始采用气体扩散法，首先将固态的二氧化铀经过铀转化厂转换成六氟化铀气体，然后利用气体扩散将分子量存在着细微差别的235UF6和238UF6分开。20世纪90年代，我国完成了由扩散法向离心法的过度。采用气体离心法，其单位分离功耗电只是气体扩散法的5%，成本下降了75%。1.4第四个环节——核燃料元件的制造核燃料元件是反应堆的核心部件，在制造核燃料元件之前，需要将一定富集度的气态UF6转换成固态UO2或金属铀，然后再加工成各种元件及其组件作为反应堆的燃料。我国先后研制和生产了生产堆、研究实验堆、潜艇核动力堆和核电站用的燃料元件，实现了小型、中型、大型核电站燃料元件制造系列化和国产化。
燃料元件的制造过程
二、燃料元件的使用或燃烧核电站使用的核燃料主要由可裂变材料和可转化材料组成。反应堆中“烧”（即发生裂变）的是可裂变材料，并在裂变过程中主要产生三个效应：释放大量热量，即核能；产生裂片，裂片的积累会阻碍可裂变材料进一步裂变，积累到一定程度，可以使裂变难以发生，即成为发燃料，这就需要卸堆进行处理；可转换材料转换成可裂变材料——核燃料增值的基础。三、核燃料循环后端核燃料循环后端包括：反应堆用过的乏燃料的中间储存；乏燃料的处理——这是世界核能领域的头号难题；放射性废物的处理和最终处置等过程。根据一个国家核能战略不同，以及技术方面的差异，针对反应堆卸下来的乏燃料都有不同的管理措施，主要包括两大类：一次通过战略；后处理战略。
乏燃料水池
3.1第一类：一次通过战略乏燃料经过冷却后不进一步处理，而是经中间储存后，直接（或经切割）包装后直接作为废物进入深地质层处置或长期储存。美国曾经支持此战略，但其最终处置场尤卡山项目碰到了困难，现在美国已经转向了后处理。该战略的特点是费用可能较低，概念简单；无高纯钚产生，核扩散风险低。但缺点是废物放射性及毒性高，延续时间长达几百万年；目前没有工业运行经验。3.2第二类：闭式循环战略——后处理对乏燃料中所含大部分有用核燃料进行分离并回收利用。主要目的：（1）回收乏燃料中宝贵的可裂变材料（235U，233U，钚）与可转换材料，以便再制造成新的燃料元件；（2）核燃料在反应堆中辐照时所产生的超铀元素（即次锕系核素）的提取，也有很大的科学和经济价值，如通过分离嬗变处理。乏燃料后处理能够大大减少需要长期深地质处置的核废物体积，而且可使最终废物的放射性大幅度降低。后处理途径主要有四种：（1）热中子堆中再循环——使用过的燃料元件经后处理回收其中未用完的铀和新产生的钚，返回重新制造燃料元件循环使用；（2）快中子增殖堆中再循环——快中子增殖堆燃料由钚和贫化铀构成，对乏燃料进行后处理，并回收其中的铀和钚，以便循环使用。在该类反应堆中铀238U吸收中子产生的钚比由于裂变消耗的钚还多，因此可以实现核燃料（钚）增殖；（3）分离嬗变——即分离燃料辐照过程中产生的长寿命的、含量少而毒性大的次锕系核素和长寿命裂片核素（129I，99Ti等），以通过嬗变可获得更多的能量并可消除其毒性，维护环境安全，实现核能纯洁化目标。
乏燃料后处理是一个既需要资金又需要技术的领域：加工一吨乏燃料至少要生成45吨高放废液，150吨中等放射性废液，2000吨低放射性废液。乏燃料处理代价非常昂贵。按西方标准，建一座年处理1000吨的工厂需投资3.5亿美元。同时还要建一个放射性废液库储存高、中、低放射性废液，其规模要按每加工处理1吨乏燃料产生2200吨放射性废液计算而定，建库投资达15亿美元，还不包含运行费用。一个年处理1000吨的乏燃料工厂每年要产生220万吨的放射性废物，为存放这些废物还要建一个超过10亿美元的永久地下储库。
全球后处理厂概况
3.3放射性废物的处理和最终处置放射性废物的处理：从分离嬗变过程后的高放射性废液中提取90Sr，137Cs等中、长寿命核素（又称高释热核素）后将其转换为中低放废液；如需要，继续提取裂变产物，如95Zr，65Zn，106Ru、稀土（RE）等。至于核废液，现在的处理方法也十分有限，据欧共体数据：中等放射性废液用水泥固化处理，成本1-2万/立方米；固化后掩埋处理还需要1-7万欧元/立方米。
放射性废物的最终处置：最后对短寿命低、中放废物采用近地表处置——水泥或沥青固化后作浅地层埋藏处置（一般离地面约30米）；长寿命低中放废物采用水力压裂法等；高放废物采用玻璃或陶瓷固化后深地层埋藏处置（离地面约500-1000米花岗石岩层内）；对高放废液也可以直接进行玻璃或陶瓷固化后深地层埋藏处置。
我国的低放废物沥青固化、水泥固化技术和中放废物深地层压裂技术均已开发成功并投入运行。对长寿命强放射性的高放废物正在进行深地层埋藏的场址预选，并通过钻探取得了阶段性的成果。于此同时，正在研发最终处理高放废物的先进方法——分离、嬗变法，并取得了具有国际先进水平的成果。
后处理技术的发展趋势后处理技术发展早期，干法流程一度被认为优于水法流程，后来水法流程成为后处理技术的主流。迄今，工业化后处理厂采用的都是水法技术，水法后处理的主导工艺是PUREX流程，这一流程要经过几十年的发展，并没有发生根本性的改变，但一直在朝着更安全、经济的目标发展。干法工艺研究一直很活跃，特别是对于快堆乏燃料的后处理，干法工艺是一种不可或缺的技术路线。从近期来看，技术上成熟的水法工艺PUREX流程是主要的前进方向，干法被认为是辅助或备用工艺。从长远发展来看，对先进反应堆（液态金属快堆、气冷堆、熔盐堆等等）乏燃料的后处理，倾向于干法后处理技术的利用。 参考文献：1. 中国矿业报，我国已建立完整的铀矿地质勘查体系；http://www.mlr.gov.cn/tdzt/dzgz/dzzk/yw/201504/t20150422_1348615.htm2. Uranium Mining Overview；http://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/mining-of-uranium/uranium-mining-overview.aspx3. 温鸿钧，我国核燃料闭式循环战略的讨论，中国核电，2，2008
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