核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)是整個(gè)核工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的一環(huán)，也是核能發(fā)展的大動(dòng)脈，包括鈾礦開(kāi)采、冶煉、轉(zhuǎn)化純化、同位素分離、燃料元件制造、乏燃料后處理、放射性廢物處理處置、核電站反應(yīng)堆等多個(gè)環(huán)節(jié)。從礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)到最終的地質(zhì)填埋，通常會(huì)經(jīng)歷一個(gè)完整的燃料循環(huán)。

核燃料是指含有易裂變核素，能夠在反應(yīng)堆內(nèi)實(shí)現(xiàn)自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)的物質(zhì)。核燃料棒最核心的材料是二氧化鈾，由天然鈾提煉而成，鈾礦需經(jīng)過(guò)勘探開(kāi)采、水冶、鈾轉(zhuǎn)化與鈾濃縮等過(guò)程，最終送往核燃料加工廠制造出核燃料元件。在核燃料成本結(jié)構(gòu)中，天然鈾所占比例最高，達(dá)到 49%。然而我國(guó)鈾礦資源并不豐富，主要依賴進(jìn)口。

1. 鈾礦開(kāi)采方面：我國(guó)屬于貧鈾國(guó)，國(guó)內(nèi)大部分鈾資源屬于非常規(guī)鈾，開(kāi)采成本較高，主要依賴進(jìn)口。目前全球鈾資源主要供應(yīng)國(guó)家有哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、加拿大、納米比亞、尼日爾和澳大利亞。根據(jù) WNA、中核集團(tuán)、海關(guān)總署、立鼎產(chǎn)業(yè)研究網(wǎng)數(shù)據(jù)，我國(guó) 2017 年鈾礦對(duì)外依存度約為 84%。而由于該行業(yè)具有國(guó)家安全意義，我國(guó)僅中核集團(tuán)及中廣核有資格從事鈾礦開(kāi)采和進(jìn)出口業(yè)務(wù)。

天然鈾是核工業(yè)的基礎(chǔ)原料，鈾元素分布廣，但其礦床非常有限。一般鈾含量在千分之一以上的鈾礦就具有開(kāi)采價(jià)值，露天礦或開(kāi)采條件較好的礦也可以開(kāi)采。

由于礦石中有較多廢石，因此需要先進(jìn)行選礦，鈾礦加工先將礦石濃集成鈾含量較高的 U3O8，俗稱黃餅，黃餅中 U3O8的含量一般在 40-80%。制成黃餅的濕法化學(xué)處理，通常稱為水冶，即鈾的提取和精制，一般在礦山附近進(jìn)行，鈾化學(xué)濃縮物制成后會(huì)進(jìn)行外運(yùn)，為了便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，一般會(huì)制成鈾的氧化物形式。

2.鈾的轉(zhuǎn)化純化：黃餅在提純后，會(huì)被送至鈾的濃縮工廠，加工成六氟化鈾。天然鈾元素含量分別為 238U 99.28%，235U 0.71%及 234U 0.006%。而要滿足核電發(fā)電的需求，就要提升 235U 的含量。工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)富集鈾的方法，主要有擴(kuò)散法和離心法 2 種。

1)擴(kuò)散法，即利用六氟化鈾(氣態(tài))種不同鈾同位素氣體分子的質(zhì)量差進(jìn)行分立，已有 50 余年歷史，技術(shù)較為成熟，但缺點(diǎn)是耗電量大。

2)氣體離心法：是生產(chǎn)富集鈾的主要方法，利用離心力將氣態(tài)六氟化鈾同位素分立，于上世紀(jì) 90 年代開(kāi)始用于工業(yè)生產(chǎn)，耗電少，但投資較大。當(dāng)鈾的濃度提高至 4%左右時(shí)，將鈾混合物粉末燒結(jié)成二氧化鈾陶瓷芯塊。

3.核燃料組件的制作：二氧化鈾是核燃料棒的核心材料。二氧化鈾瓷芯塊為直徑約 1 厘米，高 1 厘米的圓柱體。幾百個(gè)芯塊疊在一起裝入直徑 1 厘米，長(zhǎng)度約 4米的細(xì)長(zhǎng)鋯合金材料套管內(nèi)，管的厚度為 1 毫米左右。

因?yàn)楹肆炎兎磻?yīng)就像是在燃燒原子，因此稱為燃料棒。隨后，燃料棒還需要放入燃料棒組件架，一般幾百根燃料棒會(huì)按照一定間隔，按照 15*15，或 17*17 排列并被固定成一束，即燃料組件。一般，一整個(gè)燃料組件主要由上下管座、格架、控制棒導(dǎo)向管和燃料棒組成。

4.乏燃料的冷卻及儲(chǔ)存：隨著核電運(yùn)行，燃料中裂變核素鈾逐步消耗，不足以維持裂變反應(yīng)，從反應(yīng)堆中取出的燃料稱為乏燃料，或輻照過(guò)的燃料。把已經(jīng)使用的 3%-4%的鈾廢料(乏燃料)，以化學(xué)方法將鈾和钚從裂變產(chǎn)物中分離出來(lái)，稱為乏燃料再溶解和后處理技術(shù)，這也是核燃料循環(huán)后段中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。

但一般在乏燃料進(jìn)行后處理之前，會(huì)先進(jìn)行冷卻，原因在于乏燃料比活度非常高，且釋放大量衰變熱，必須貯存一段時(shí)間后再進(jìn)行后處理。乏燃料貯存按照時(shí)間長(zhǎng)短可以分為短期貯存、中間貯存、長(zhǎng)期貯存三種。

其中，短期貯存即在乏燃料在后處理前先短期貯存幾個(gè)月-幾年時(shí)間。一般動(dòng)力堆乏燃料的冷卻時(shí)間不少于 3-5 年，經(jīng)過(guò)冷卻后的乏燃料經(jīng)過(guò)自然衰變，其放射性活度和釋熱效率降低，也可以緩解后處理工藝上的技術(shù)難度。中間貯存較為重要，它可以使后處理的時(shí)間推遲幾十年，為尋求放射性廢物最終處置方案爭(zhēng)取時(shí)間。

長(zhǎng)期貯存一般是采用濕法的水池和干法的金屬容器、混凝土密封容器、地下室、干井等。根據(jù)《乏燃料的長(zhǎng)期貯存與處置》，濕法及干法貯存的時(shí)間可達(dá)到 50 年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。一般，在反應(yīng)堆貯存池裝滿后，后處理廠產(chǎn)能可以滿足需求之前，通過(guò)建造新的離堆貯存設(shè)施，來(lái)進(jìn)行中長(zhǎng)期貯存是唯一可能的解決方案。

5.乏燃料的后處理與鈾回收：乏燃料后處理的目的主要是提升資源利用率、降低對(duì)環(huán)境的威脅。目前，全球處理乏燃料的方式主要有兩種，一種是開(kāi)放式，一種是閉式循環(huán)。簡(jiǎn)言之，開(kāi)放式燃料循環(huán)即經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的冷卻、剪切、封裝后運(yùn)往合適地點(diǎn)，直接填埋，目前瑞典、加拿大、西班牙、美國(guó)主要采取這種方式。

閉式燃料循環(huán)即分離乏燃料中的鈾、钚元素進(jìn)行再利用，降低其活性和放射性，并將高放廢物進(jìn)行填埋的處理方式。目前法國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、日本、印度、中國(guó)均采取這種技術(shù)路線。

目前，全球最成熟的乏燃料后處理技術(shù)為 PUREX 技術(shù)，主要包括首端處理、萃取分離及凈化、尾端處理三個(gè)緩解。其中，首端處理主要工序包括乏燃料組件的切割、去包殼、燃料芯塊溶解、過(guò)濾、調(diào)料、尾氣處理等。萃取分離凈化的目的在于對(duì)鈾、钚于放射性裂變產(chǎn)物的分離和凈化。尾端處理的目的主要在于將鈾、钚元素轉(zhuǎn)換成經(jīng)濟(jì)且易儲(chǔ)存的形式，如四氟化鈾、二氧化钚。

鈾在再處理過(guò)程中回收的材料中占很大一部分，法國(guó)、英國(guó)、日本均有回收再處理的企業(yè)。乏燃料中約有 96%是剩余未反應(yīng)的鈾元素，多數(shù)為 U-238，小部分為U-235,一般 U-235 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要小于 0.83%。由于燃耗的限制，乏燃料中 U-235的估計(jì)都仍然要比天然鈾高，且钚等其他元素可以提取出來(lái)加以再次利用，制作成新的燃料組件。(完)