核燃料循環
正文
核燃料進入反應堆前的製備和在反應堆中燃燒後的處理的整個過程。這個名稱反映了核燃料在反應堆中只能燒到一定程度就必須卸出並換上新燃料這個特點。乏燃料(即燒過的燃料)中的鈾和鈽可以分離出來並返回反應堆,作為燃料循環使用,形成核燃料的循環。
















後段 從壓水堆卸出的乏燃料中,鈾235的含量仍有0.85%左右,高於天然鈾;而且每噸乏燃料中還含有約10千克的鈽,其中可作為核燃料的鈽239和鈽241約占7千克。因此,如將這些易裂變核素分離出來,作為燃料返回反應堆,既可節約天然鈾,又可節約分離功。據估計,將鈾循環使用,可節約天然鈾約20%,節約分離功4%左右。如將鈾和鈽都循環使用,可節約天然鈾約40%,節約分離功15%左右。
為了進行鈾和鈽的循環,須將乏燃料中的鈾和鈽分離並淨化到所含裂變產物的放射性低到人們可以接近的水平,這就是後處理工廠的任務。剛從反應堆中卸出的乏燃料放射性太強,一般需要在冷卻水池中存放3~5年,使放射性大大衰減之後,才送到後處理廠去處理。這個存放步驟稱做中間儲存。從後處理廠得到的含鈾 235約0.85%的鈾產品(稱做堆後鈾),又須經過轉化過程變為六氟化鈾,並送至鈾的濃縮工廠,濃縮到含鈾235約3%,然後再轉化為二氧化鈾,以便製成燃料元件(見圖)。

從後處理廠出來的放射性廢物,均須經過妥善處理和處置,以確保在長期儲存條件下也不轉移到生物環境中。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鏽鋼大罐中暫時儲存一段時間,然後根據各國不同的要求,或將高放廢液直接固化成為硼矽酸鹽形態的玻璃塊,或先將其中極長半衰期(如鈽 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,然後再固化成玻璃塊。固化塊經包裝後一般要求在地面長期儲存庫儲存數十年,待其發熱量衰減到較低時,再送至最終處置庫,在地下深層永久埋藏起來。至此,核燃料循環的後段就完成了。(見放射性廢物處理)
循環方式 除了前面講到的壓水堆(輕水堆)的鈾(鈽)循環方式以外,還有快中子增殖堆(簡稱快堆)的鈾-鈽循環方式以及釷-鈾循環方式等。
快堆鈾-鈽循環 從最大限度利用鈾資源的角度來看,應發展快中子增殖堆。這種堆以鈽239為燃料,並裝載鈾238,在堆中所裝鈾238轉化成為鈽239的量大於燒掉的鈽239的量,將占天然鈾99%以上的鈾238也利用起來,進行鈾-鈽循環。鈾-鈽循環就是在快堆中將鈾 238轉化為鈽239,並通過後處理把鈽分離出來,作為快堆的燃料循環使用。在發展初期,可用壓水堆後處理得到的鈽作為裝料;發展到一定規模後,就可用快堆自己增殖的鈽作為燃料。
釷-鈾循環 指在熱中子堆中把釷232轉化為另外一種核燃料鈾233,通過後處理把鈾233分離出來返回堆中循環使用。適於採用這種核燃料循環的堆型是高溫氣冷堆,其科研開發工作現已接近商業化階段。在重水堆甚至輕水堆中,也可採用這種燃料循環方式,科研工作尚處於開始階段。

參考書目
M.班乃迪等著,汪德熙等譯:《核化學工程》,原子能出版社,北京,1987。(M. Benedict, et al.,Nuclear Chemical Engineering,2nd ed., McGraw-Hill, New York, 1981.)
R.G.Wymer and B. L. Vondra,Light Water ReactorNuclear Fuel Cycle,CRC Press, Florida, 1981.
三島良績編著,張鳳林、郭豐守譯:《核燃料工藝學》,原子能出版社,北京,1981。(三島良績編著:《核燃料工學》,同文書院,東京,1972。)