核燃料

　　鈾是自然存在的一種重金屬元素，最常見(jiàn)的同位素是鈾238，但它不能用來(lái)進(jìn)行核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。核電站目前主要使用另一種同位素鈾235作為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的原料。要把自然界中直接可得的鈾轉(zhuǎn)化為核發(fā)電可用的鈾燃料，需要做一些加工處理。

　　圖5 核燃料循環(huán)　　來(lái)源：美國(guó)國(guó)會(huì)研究處（Congressional Research Service），2011年

　　http://assets.opencrs.com/rpts/RL34234_20110302.pdf

　　鈾可以通過(guò)多種方法來(lái)開(kāi)采，如露天礦和地下礦。由于成本低廉，美國(guó)的大多數(shù)鈾礦都采取就地開(kāi)采的辦法，用泵從地下將溶解在地下水中的鈾抽出。挖掘出來(lái)后，鈾礦將被磨碎并用酸性溶液過(guò)濾，得到高純度的二氧化鈾粉末，也被稱作“黃餅”。

　　核電站的操作員通常會(huì)買(mǎi)下黃餅，然后簽訂合同交給第三方對(duì)它進(jìn)行濃縮。世界上有5家鈾濃縮的商業(yè)企業(yè)，它們分別位于美國(guó)、加拿大、法國(guó)、英國(guó)和俄羅斯。

　　濃縮之后，鈾被注入陶瓷的燃料芯塊，并裝進(jìn)燃料棒中。核電站反應(yīng)堆芯中使用的一個(gè)燃料單位就是這樣的一捆方形或圓形的燃料棒。

　　當(dāng)一份核反應(yīng)堆燃料被用盡了，或者說(shuō)沒(méi)法再進(jìn)行核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)時(shí)，它就必須被替換。通常標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)堆燃料替換周期從12個(gè)月到24個(gè)月不等，反應(yīng)堆將停產(chǎn)幾周來(lái)進(jìn)行燃料補(bǔ)給和設(shè)備維護(hù)。

　　核廢料中大部分為貧化鈾（高達(dá)96%），還夾雜一些高放射性的元素，也就是核裂變的產(chǎn)物（比如銫和鍶）及钚和镅。其中，頭一個(gè)百年核廢料的衰變與放射性主要以核裂變產(chǎn)物為主，其他成分在這之后還會(huì)延續(xù)幾千年。

　　核燃料循環(huán)

　　傳統(tǒng)的一次性燃料循環(huán)（美國(guó)目前采用的方法）包括濃縮鈾燃料的使用以及核廢料的處理。另外還有兩種循環(huán)方式可供選擇，即單程再利用法和全封閉循環(huán)法，后者是將來(lái)可能的技術(shù)。單程再利用法（目前在法國(guó)被使用）包括核廢料的再加工，即將易裂變的鈾和钚從廢料中分離出來(lái)。這些物質(zhì)可以被回收，再次做成核燃料。這種方法將減小需要處理的核廢料的體積，但不一定能減少核廢料的衰變熱和放射性。

　　麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)研究表明，單程再利用這種方法的成本要比一次性燃料循環(huán)的成本高。此外，全封閉循環(huán)法帶來(lái)的好處無(wú)法抵消隨之而來(lái)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。在全封閉循環(huán)法的一種建議方案中，將核廢料和分離出來(lái)的鈾、钚和其他具有長(zhǎng)期放射性的元素一起再加工做成核燃料，這種方法減少了衰變熱和放射性，降低了最終的核廢料中放射性同位素的含量。

　　然而，這種方法下的核廢料仍然需要長(zhǎng)期處理，因?yàn)槠渲械暮肆炎儺a(chǎn)物和加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢料仍然具有長(zhǎng)期性，還需要永久的地質(zhì)處置。全封閉循環(huán)法還需要更先進(jìn)的快速燃燒反應(yīng)堆，這項(xiàng)技術(shù)目前還沒(méi)有投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。從理論上講，快堆產(chǎn)生的核廢料可以被反復(fù)加工直到循環(huán)過(guò)程中所有的鈾都轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫娜剂希�而所有有用的燃料都完成了聚變�?/p>

　　特殊的挑戰(zhàn)

　　雖然核能發(fā)電不直接排放溫室氣體和其他空氣污染物，全過(guò)程中總體的溫室氣體產(chǎn)生量也比化石燃料要低，但核發(fā)電具有一些特殊挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)。其中，最大的風(fēng)險(xiǎn)（雖然發(fā)生概率很低）就是堆芯熔毀。

　　自從20世紀(jì)50年代核能時(shí)代大幕開(kāi)啟以來(lái)，全球核電行業(yè)經(jīng)歷了三次重大的核反應(yīng)堆事故和幾次燃料循環(huán)設(shè)備故障事件，其中最近的一次是2011年日本福島核反應(yīng)堆事故。核反應(yīng)堆的損壞對(duì)公共安全是一個(gè)巨大威脅，因?yàn)槠浞派湫钥梢晕廴究諝夂偷叵滤�。迄今為止，包括商用核電反�?yīng)堆在內(nèi)美國(guó)還沒(méi)有發(fā)生一起放射性直接傷害或致死的公共安全事件。

　　在美國(guó)，人們還對(duì)廢燃料棒中放射性廢棄物的存儲(chǔ)問(wèn)題感到擔(dān)憂。在法國(guó)，廢燃料棒中的钚元素被分離出來(lái)和鈾一起加工，再次做成核反應(yīng)堆的燃料。美國(guó)目前還沒(méi)有采取對(duì)廢燃料進(jìn)行再加工的做法，一是擔(dān)心廢燃料中的钚元素會(huì)造成核武器的擴(kuò)散，二是廢燃料再加工的成本比一次性燃料循環(huán)要高。

　　目前,對(duì)廢燃料棒的處理工作在核電站就地展開(kāi)，先將廢燃料棒放進(jìn)一個(gè)特別設(shè)計(jì)的水池中冷卻幾年，然后再用干燥的儲(chǔ)藏容器將它就地封裝起來(lái)。就美國(guó)而言，關(guān)于這些核廢料的儲(chǔ)存是一個(gè)重大的公共政策問(wèn)題。

　　在全球范圍內(nèi)，人們擔(dān)心核武器會(huì)傳播開(kāi)來(lái)，也就是核擴(kuò)散。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)這樣的組織監(jiān)控著全球范圍內(nèi)的核項(xiàng)目，以確保它們的安全和透明。此外，第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇也為未來(lái)核能的發(fā)展選定了6種反應(yīng)堆技術(shù)，以防止核原料被挪用到核武器上。

　　譯自：http://www.c2es.org

　　編譯：工業(yè)和信息化部國(guó)際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作中心 劉佳源 金逸

更多精彩內(nèi)容參見(jiàn)“中國(guó)經(jīng)濟(jì)網(wǎng)-國(guó)際頻道-國(guó)際IT行業(yè)資訊”