核燃料循環(huán)論文

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1、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(gè)步驟、以及后端步驟，其中有在核燃料使用完畢時(shí)或者核燃料再處理或者處理乏核燃料的過程。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

2、，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(gè)濃度正好能使核反應(yīng)堆實(shí)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

3、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(gè)轉(zhuǎn)化過程變?yōu)槎趸櫍拍芩椭猎圃鞆S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(jiān)硬的陶瓷顆粒。這些柱形的小顆粒經(jīng)過研磨，形成均勻的顆粒。根據(jù)反應(yīng)堆核心的設(shè)計(jì)要求，

4、這些小顆粒需要堆疊在耐腐蝕的金屬合金管中。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可裂變物質(zhì)（如鈾-235、钚-239等）、增殖性物質(zhì)（鈾-238）以及其他放射性物質(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(shí)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，

5、才送到后處理廠去處理。這個(gè)存放步驟稱做中間儲存。從后處理廠得到的含鈾235約0.85%的軸產(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

6、銹鋼大罐中暫時(shí)儲存一段時(shí)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a放射性核素移除，加以利用，或單獨(dú)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(shí)，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)］在快中子反應(yīng)堆和熱反應(yīng)堆中的釷循環(huán)里，釷-232都會吸收一個(gè)中子變成釷-233。隨后，釷-233通過p衰變迅速轉(zhuǎn)變成鏷-233,而鏷-233經(jīng)過半衰期27天的衰變轉(zhuǎn)變成鈾-233。由于鈾-233可

7、以作為核燃料，釷-232是一種增殖性材料。核反應(yīng)堆首先由鈾-233或者其他裂變物質(zhì)如鈾-235或钚-239啟動(dòng)，隨后創(chuàng)造了一個(gè)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(jì)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)堆的增值比例。和快中子反應(yīng)堆相比，熔鹽反應(yīng)堆的增值比例較低。快堆鈾-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2

8、39的量，將占天然鈾99%以上的軸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