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什么是鈾?

解讀“核”

鈾是生產(chǎn)核燃料的重要原料,全世界的核反應(yīng)堆都使用鈾作為核燃料。(圖片來(lái)源:A.Vargas/原子能機(jī)構(gòu))

 

與所有其他錒系元素一樣,鈾具有“放射性”——它會(huì)隨著時(shí)間的推移而衰變,并在衰變過(guò)程中釋放能量。鈾的特殊性質(zhì)使其成為核反應(yīng)堆燃料的主要燃料來(lái)源——一顆雞蛋大小的鈾燃料就能提供相當(dāng)于88噸煤所產(chǎn)生的電力。

鈾是地殼中較為常見(jiàn)的元素之一,比黃金還要常見(jiàn)500倍。雖然鈾是一種非常稀有的元素,但少量的鈾無(wú)處(巖石、土壤、水,甚至我們的身體中)不在。海洋中也有大量高度稀釋的鈾,大約有40億噸。

與其他元素一樣,鈾有多種變體,其質(zhì)量和物理特性各不相同,但化學(xué)特性卻相同。這些變體我們稱之為同位素

鈾有哪些不同的同位素?

在地球上天然存在的三種鈾同位素中,鈾-238占99%以上 (圖片來(lái)源:A.Vargas/原子能機(jī)構(gòu))

鈾有三種天然同位素—鈾-234(U-234)、鈾-235(U-235)和鈾-238(U-238)。鈾-238是最常見(jiàn)的同位素,占地球上天然鈾的99%以上。大多數(shù)核反應(yīng)堆使用含鈾-235的燃料,但是天然鈾濃度通常僅含有0.72%的鈾-235,而大多數(shù)反應(yīng)堆的燃料中需要更高濃度的這種同位素。因此,可通過(guò)鈾濃縮人為提高鈾-235的濃度。只有加拿大的CANDU反應(yīng)堆使用非濃縮鈾作為燃料。

什么是鈾濃縮?

鈾濃縮是將鈾-235的同位素比例從0.72%提高到94%的過(guò)程。

如果鈾-235的同位素比例低于20%,則被視為低濃鈾(LEU)。大多數(shù)商業(yè)反應(yīng)堆使用濃度低于5%的低濃鈾作為燃料,這種鈾通常也被稱為“反應(yīng)堆級(jí)鈾”。低濃鈾不會(huì)變質(zhì),可以安全儲(chǔ)存多年。

如果鈾濃縮度超過(guò)20%,則被視為高濃鈾。鈾-235同位素比例如此之高的鈾主要用于艦艇動(dòng)力推進(jìn)反應(yīng)堆(例如:潛艇)、核武器和一些研究反應(yīng)堆。

可使用不同的方法來(lái)提高鈾-235的同位素比例。通常情況下,黃餅(磨碎鈾礦)會(huì)轉(zhuǎn)化為氣態(tài),稱為六氟化鈾。然后,將這種氣體泵入快速旋轉(zhuǎn)的圓筒(離心機(jī))中,如鈾-238這類較重的同位素會(huì)被推向圓筒壁,而較輕的鈾-235則留在圓筒的中心。這樣就能過(guò)濾并收集鈾-235濃度較高的氣體。這個(gè)過(guò)程可以重復(fù)進(jìn)行,直到鈾-235的同位素比例足夠?yàn)橹?。然后,獲得的氣體會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)再轉(zhuǎn)化過(guò)程,使得鈾-235轉(zhuǎn)化為黑火藥樣的物質(zhì),即二氧化鈾。

鈾是如何開(kāi)采的?

中核集團(tuán)納米比亞羅辛鈾礦(圖片來(lái)源:C.Brady/原子能機(jī)構(gòu))

中核集團(tuán)納米比亞羅辛鈾礦(圖片來(lái)源:C.Brady/原子能機(jī)構(gòu))


 

20世紀(jì),鈾礦石大多從露天礦坑或地下挖掘場(chǎng)開(kāi)采,這就需要對(duì)礦石進(jìn)行粉碎和提煉,以便將鈾與其他元素分離。

21世紀(jì)以來(lái),這種方法逐漸被“原地浸出”所取代。雖然2000年只有16%的鈾是通過(guò)這種技術(shù)生產(chǎn)的,但原地浸出法仍是目前最常見(jiàn)的鈾礦開(kāi)采方法。2020年,全球約有58%的鈾是使用這種方法開(kāi)采的。

原地浸出(圖片來(lái)源:A.Vargas/原子能機(jī)構(gòu))

原地浸出法是指在地下鈾礦床中循環(huán)含有絡(luò)合劑、氧化劑或酸等額外元素的水。這種方法可以直接將鈾從礦床中溶解出來(lái)。由此產(chǎn)生的溶液從地下提取并提煉出氧化鈾或“黃餅”,用于鈾濃縮。

壓濾機(jī)制出的黃餅(圖片來(lái)源:歐安諾)

壓濾機(jī)制出的黃餅(圖片來(lái)源:歐安諾)

開(kāi)采鈾礦,將其制成核燃料,在核電站中對(duì)燃料進(jìn)行輻照以及處置由此產(chǎn)生的廢料,這一循序漸進(jìn)的過(guò)程我們稱之為核燃料循環(huán)。

核燃料循環(huán)

乏燃料也可以進(jìn)行后處理和再利用。 (圖片來(lái)源:A. Vargas/原子能機(jī)構(gòu))


 

核燃料循環(huán)是一個(gè)工業(yè)過(guò)程,涉及在核反應(yīng)堆中利用鈾發(fā)電的各種活動(dòng)。鈾礦勘探之后是鈾礦石原礦的開(kāi)采和選冶。然后對(duì)原鈾進(jìn)行加工,包括通過(guò)濃縮,以最大限度地提高其作為燃料的效率。乏燃料在反應(yīng)堆中經(jīng)過(guò)輻照后,需要貯存起來(lái)進(jìn)行冷卻,然后再處置,或作為后處理得到的鈾進(jìn)行再循環(huán),或作為其他潛在發(fā)電來(lái)源重新利用。再循環(huán)后產(chǎn)生的廢物和貧化鈾也需要進(jìn)行處置。

鈾是如何制成核燃料的?

(圖片來(lái)源:Adriana Vargas/原子能機(jī)構(gòu))

在核燃料制成過(guò)程中,鈾經(jīng)歷了固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的物質(zhì)狀態(tài)變化。固態(tài)鈾礦石溶解成液體并通過(guò)原地浸出法提取,變成固態(tài)的黃餅,然后轉(zhuǎn)化為六氟化鈾氣體,使用離心分離并加工成二氧化鈾進(jìn)行濃縮,從而制成鈾芯塊,并構(gòu)成作為燃料組件的基礎(chǔ)。

二氧化鈾是一種黑色粉末狀物質(zhì)。該物質(zhì)經(jīng)過(guò)壓縮和加熱燒結(jié),形成鈾芯塊。然后,將這些芯塊分別地插入長(zhǎng)金屬管中,再將這些金屬管堆疊在一起,制成燃料組件——核反應(yīng)堆燃料的主要來(lái)源。

什么是后處理得到的鈾( RepU )?

核燃料可以通過(guò)專門的再循環(huán)廠進(jìn)行后處理?;厥盏拟櫛环Q為后處理得到的鈾——它可以作為一種新型燃料重新使用。

什么是貧化鈾(DU)?

正如我們?cè)跐饪s章節(jié)中所見(jiàn),離心機(jī)生產(chǎn)的鈾含有較高的鈾-235同位素比例。這也意味著,剩余材料中的鈾-235同位素含量較低。如果這種濃縮副產(chǎn)品的鈾-235同位素比例低于0.7%,則被視為是貧化鈾。

因?yàn)樨毣檰挝毁|(zhì)量的鈾-235含量較少,所以其放射性低于天然鈾。在濃縮之前的鈾化學(xué)純化過(guò)程中,所有衰變產(chǎn)物的痕跡都被清除。貧化鈾可作為低放射性廢物進(jìn)行處置,也可與乏核燃料后處理過(guò)程中分離出的钚一起用于制造混合氧化物燃料(MOX)。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的作用是什么?