核物理科普系列十一

一、核燃料循环的基本概念

核燃料循环包括燃料加工、核能利用和燃料后处理等过程,分为前段、核反应堆和后段三大部分。

核燃料循环前段:指在核燃料循环中制成燃料元件供反应堆使用之前的一系列工业活动,包括铀矿勘探、矿石开采与冶炼、铀同位素富集、燃料元件制造。

核反应堆:指核燃料发生核裂变反应以利用其核能和/或生产新核燃料的设备,通常还附设新燃料储存和乏燃料暂时储存。

核燃料循环后端:在核燃料循环中燃料元件从反应堆卸出后的一系列工业活动,包括乏燃料暂时储存、乏燃料后处理(铀转化并再富集、铀钚再制成燃料)、放射性废物处理与处置以及主要物料在上述各环节之间的运输。

二、核燃料循环的模式

按照对乏燃料的管理策略不同,燃料循环基本上有闭路和开路两大模式,也称两大技术路线。

1.闭路式循环

在核反应堆中装填的核燃料实际上不可能一次完全耗尽,而其在辐照过程中也会产生新的核燃料;将反应堆中已烧“乏”的燃料通过化学后处理过程将残留的和新生成的燃料提取出来,经加工后再制成元件,重新返回堆中使用堆中使用,也称为闭路核燃料循环;

为了获取武器级钚装料,只有通过后处理过程才能将生产反应堆的辐照后燃料中的钚分离出来。

2.开路式循环—“一次通过”模式

将乏燃料先暂时(也可能需要长达数十年)储存,然后将其直接永久处置掉,不再经后处理,称之为开路核燃料循环;

3.“等着瞧”的模式

各个国家依据各自的政治、经济、自然和资源等条件选择不同的模式。由于某些条件限制,尤其对一些中小国家来说,开路和闭路模式都不适宜,因而,一段时期以来又诞生一种叫做“等着瞧”的模式;即当前先将乏燃料长期(也许数十年至上百年)储存着,等待将来时机成熟时再做出抉择。

4.DUPIC模式

韩国和加拿大等国开发一种被称为“DUPIC”(PWR乏燃料直接在CANDU堆中利用)的循环模式,即先将压水堆的乏燃料只经简单的高温氧化挥发处理以去除气态裂变产物,再将粉末的二氧化铀烧结成芯块,制成供CANDU堆使用的燃料。