核燃料循環(huán)是核工業(yè)體系基礎(chǔ)

核電產(chǎn)業(yè)鏈包括從上游核燃料供應(yīng)到中游核設(shè)備生產(chǎn)制造，最后到下游核電建造及運(yùn)營等。從盈利水平角度來看，核燃料產(chǎn)業(yè)鏈、核島主設(shè)備制造以及核電站運(yùn)營的毛利率較高，相關(guān)企業(yè)將收獲相對更多核電行業(yè)高景氣的紅利。

核燃料循環(huán)是核工業(yè)體系中的重要組成部分之一。核燃料循環(huán)分為前端與后端兩部分，循環(huán)的前端包括鈾礦開采、礦石加工(選礦、浸出、沉淀等多種工序)、鈾的提取、精制、轉(zhuǎn)換、濃縮、元件制造等步驟;后端包括對反應(yīng)堆輻照以后的乏燃料元件進(jìn)行鈾钚分離的后處理以及對放射性廢物處理、貯存和處置。

前端包含了從礦物開采到核能燃料發(fā)電全過程，是整個核能工業(yè)的基礎(chǔ)和起點(diǎn)，對核工業(yè)體系運(yùn)行影響顯著。

流程分析：鈾礦分析重中之重

核裂變?nèi)剂鲜悄壳爸髁骱巳剂稀ｂ櫴且环N化學(xué)元素，是自然界中能夠發(fā)生核裂變反應(yīng)的元素之一，該元素在核能領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。核燃料分為核裂變?nèi)剂虾秃司圩內(nèi)剂希壳昂肆炎兗夹g(shù)較為成熟，核裂變?nèi)剂现饕?strong>鈾-235、钚-239 和鈾233。鈾-235 存在于純天然鈾中，但僅占 0.71%，需要進(jìn)行鈾濃縮后使用。

鈾礦的開采是核燃料循環(huán)前端的關(guān)鍵步驟之一，其過程包括勘探、開采、礦石加工等環(huán)節(jié)。20 世紀(jì)鈾礦石大多從露天礦坑或地下挖掘場直接進(jìn)行開采，開采后對礦石進(jìn)行粉碎和提煉，以便將鈾與其他元素分離。

隨著技術(shù)發(fā)展，目前主要采用原地浸出法，這種方法可直接將鈾從礦床中溶解出來。截止至 2020年，全球約有 58%的鈾通過原地浸出法開采。2023 年，原地浸出法采鈾產(chǎn)量已占中國天然鈾總產(chǎn)量 90%以上。

鈾礦轉(zhuǎn)化的目標(biāo)是將 U3O8轉(zhuǎn)換為 UF6。UF6是目前鈾化合物中唯一易揮發(fā)的化合物，是氣體擴(kuò)散法、超離心法中分離和富集鈾 235 和鈾 238 最為適宜的工作介質(zhì)，在原子能工業(yè)中具有非常重要的意義。制備 UF6 分干濕兩種方法。濕法制備過程中采用氟氣氟化四氟化鈾制備 UF6 是最主流工業(yè)制備方法，且消耗氟氣最少，干法制備目前僅有美國聯(lián)合化學(xué)公司的麥楚波利斯工廠使用。

鈾濃縮是將鈾-235 的含量從天然水平(0.7%)提高至 3%~5%的過程。天然鈾中的鈾 235 與鈾 238 化學(xué)性質(zhì)基本相同，唯一不同的是質(zhì)量有微弱的差別，所以對鈾 235 的濃縮就是利用這一微弱質(zhì)量差。

早期，鈾濃縮工序采用氣體擴(kuò)散法，通過一系列擴(kuò)散膜來實(shí)現(xiàn)分離，該方法經(jīng)過美國實(shí)踐驗(yàn)證可行。但氣體擴(kuò)散法有著分離系數(shù)小，工廠規(guī)模大，耗電量大，成本高昂等缺點(diǎn)。隨著大部分氣體擴(kuò)散廠達(dá)到其設(shè)計(jì)的使用壽命,氣體離心法進(jìn)新工廠應(yīng)用而生。相比氣體擴(kuò)散法，氣體離心法更節(jié)能。在氣體離心法進(jìn)行鈾濃縮工序中，由于鈾-238 較重，它會在離心力作用下被推向外圍，而較輕的鈾-235 則保持在中心。

鈾的逆轉(zhuǎn)化是將 UF6氣體脫氟轉(zhuǎn)化為 UO2固體的過程。目前存在“干”或“濕”兩種方法將 UF6 轉(zhuǎn)換為 UO2。在干法中，六氟化鈾氣體被加熱到蒸汽中，并引入兩級反應(yīng)容器(例如旋轉(zhuǎn)窯)，產(chǎn)生固體鈾酰氟化物(UO2F2)粉末，該粉末與在蒸汽中稀釋過的氫氣進(jìn)行反應(yīng)去除氟化物，并在化學(xué)上將鈾還原為純微晶 UO2 產(chǎn)物。濕法包括將 UF6 注入水中，形成 UO2F2 顆粒漿。

在此混合物中添加氨或碳酸銨，顆粒漿在混合物中通過過濾、干燥和加熱等步驟得到 UO2 固體粉末。

燃料組件加工是將處理好的 UO2 加工為可以進(jìn)行使用的核燃料元件的過程。該流程主要分為芯塊制備、燃料棒制備，組件組裝三道工序。芯塊制備是指通過壓制將完成氟脫離工序后得到的 UO2 粉末壓緊實(shí)，并采用 1750℃的高溫炙烤粉末燒結(jié)形成固體芯塊，最后磨削至光滑規(guī)則狀態(tài)，得到可供使用芯塊;燃料棒制備是指將芯塊放入由耐腐蝕、抗中子吸收材料(通常為鋯合金)制成的包殼管中形成燃料棒，并進(jìn)行焊接以確保密封;組件組裝包括將燃料棒、格架和端塞等組件組裝成燃料元件并對元件的相關(guān)性能進(jìn)行測試。

我國自研 CF3 系列核燃料組件示意圖

資料來源：國家原子能機(jī)構(gòu)

乏燃料是指在反應(yīng)堆“燃燒”到一定程度后從堆中卸出的核燃料。乏燃料從反應(yīng)堆內(nèi)移出后仍具有放射性，同時會釋放大量衰變熱，需先妥善貯存，待放射性和余熱降至一定程度后再進(jìn)行后續(xù)操作與處理。乏燃料含有大量有用核素，經(jīng)過專門處理后能變廢為寶。

目前國際上對乏燃料處理有兩種方法：

第一種是將乏燃料經(jīng)過冷卻、包裝后作為廢物直接處置不再循環(huán)利用;

第二種是回收有用核素再利用，僅對分離出的廢料進(jìn)行處置，稱作閉式循環(huán)。

乏燃料含有的核素中，鈾、钚可以重新制成燃料元件，另外一些元素如氪、鍶、锝、銫、钷、镎、镅等在國防、宇宙能源、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)和科學(xué)研究等領(lǐng)域具有重要作用。