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核燃料是怎样“炼”成的

2021-01-20 来源:中国核工业科技馆
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对于核工业而言,铀是重要的战略资源,那么铀是怎么从矿石变成可以使用的核燃料呢?让我们一起来了解一下,核燃料是怎样“炼”成的。

反应堆核燃料组件

自然界中的铀主要有三种同位素:U-238,U-235,和U-234,其中易裂变的U-235是目前主要使用的核燃料。1千克U-235裂变时所产生的能量相当于2700吨标准煤燃烧后所产生的能量。

铀矿的特点是品位低、矿体分散、规模小,含铀量高于0.05%就有开采价值。铀矿石开采出来后,经过破碎、研磨、浸出、固液分离、离子交换或溶剂萃取等一系列过程,得到铀化学浓缩物,这种初级产物是鲜艳的黄色,被称为“黄饼”(yellow cake)。黄饼经过进一步提纯制备成铀氧化物,再进行化学转化制成二氧化铀或金属铀。这时的铀产品中铀同位素含量与天然铀相同,即U-235仅占0.71%。也就是说,每1000个铀原子中,只有7个可以利用。要作为核电厂轻水堆的燃料,需要把U-235的浓度提高到2%~5%,之后才能制成芯块并组装成核燃料组件。

世界上已建有各种各样的反应堆,它们采用的燃料元件也形式多样。按反应堆类型分,有生产堆元件、动力堆元件和研究堆元件等;按元件几何形状分,有柱状、棒状、板状、环状、球状和棱柱状等;按元件组分特征分,有金属型、陶瓷型和弥散型等。从物理形态上看,目前反应堆使用的核燃料均为固态,将来随着等第四代更先进核能堆型(如熔盐堆)的研发,液态核燃料也将有望逐步开发面世。

最后解答一个大家非常关心的问题,装了核燃料的反应堆会不会像原子弹一样爆炸?其实核爆炸取决于很多因素,其中之一就是U-235浓度。制造原子弹用到的是武器级铀,U-235的富集度为90%以上。而核燃料的U-235富集度一般为2%~5%,与武器级铀还差好远呢。这好比啤酒与白酒,酒精浓度决定它是否能被点燃,白酒因酒精浓度高可以点燃,而啤酒则不能。

小贴士:核燃料循环指的是核燃料从铀矿勘探开采开始,经冶炼纯化转化,同位素分离,燃料元件制造,到反应堆中发电、核燃料(乏燃料)后处理回收利用、废物处置的整套过程。通俗点讲,就是核燃料从“生”到“死”所经历的一系列过程。核燃料循环构成了核能工业的基础。

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