核燃料

可在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料。重核的裂变和轻核的聚变是获得实用铀棒核能的两种主要方式。铀235、铀233和钚239是能发生核裂变的核燃料，又称裂变核燃料。其中铀235存在于自然界，而铀233、钚239则是钍232和铀238吸收中子后分别形成的人工核素。从广义上说，钍232和铀238也是核燃料。氘和氚是能发生核聚变的核燃料，又称聚变核燃料。氘存在于自然界，氚是锂6吸收中子后形成的人工核素。核燃料在核反应堆中“燃烧”时产生的能量远大于化石燃料，1千克铀235完全裂变时产生的能量约相当于2500吨煤。

已经大量建造的核反应堆使用的是裂变核燃料铀235 和钚239，很少使用铀233。至今由于还未有建成使用聚变核燃料的反应堆，因此通常说到核燃料时指的是裂变核燃料。由于核反应堆运行特性和安全上的要求，核燃料在核反应堆中“燃烧”不允许像化石燃料一样一次烧尽。为了回收和重新利用就必须进行后处理。核燃料后处理是一个复杂的化学分离纯化过程，曾经研究过各种水法过程和干法过程。目前各国普遍使用的是以磷酸三丁酯为萃取剂的萃取法过程，即所谓的普雷克斯流程。核燃料后处理过程与一般的水法冶金过程之最大差别是它具有很强的放射性和存在发生核临界的危险。因此，必须将设备置于有厚的重混凝土防护墙的设备室中并实行远距离操作以及采取防止核临界的措施。所产生的各种放射性废物要严加管理和妥善处置以确保环境安全。实行核燃料后处理，可更充分、合理地使用已有的铀资源。

核燃料-类型

核燃料

包含易裂变核素、在核反应堆内可以实现自持核裂变链式反应的材料。核燃料在反应堆内使用时，应满足以下的要求：①与包壳材料相容，与冷却剂无强烈的化学作用；②具有较高的熔点和热导率；③辐照稳定性好；④制造容易，再处理简单。根据不同的堆型，可以选用不同类型的核燃料：金属（包括合金）燃料，陶瓷燃料，弥散体燃料和流体（液态）燃料等（见表）。

金属燃料 铀是目前普遍使用的核燃料。天然铀中只含0.7％的U,其余为U。天然铀的这个浓度正好能使核反应堆实现自持核裂变链式反应，因而成为最早的核燃料，目前仍在使用。

但核电站（特别是核潜艇）用的反应堆要求结构紧凑和高的功率密度,一般要用U含量大于0.7％的浓缩铀。这可以通过气体扩散法或离心法来获得。金属铀在堆内使用的主要缺点为：有同质异晶转变；熔点低；存在尺寸不稳定性；最常见的是核裂变产物使其体积膨胀（称为肿胀）；加工时形成的织构使铀棒在辐照时沿轴向伸长（称为辐照生长），虽然不伴随体积变化，但伸长量有时可达原长的4倍。此外,辐照还使金属铀的蠕变速度增加（50～ 100倍）。这些问题通过铀的合金化虽有所改善,但远不如采用UO2陶瓷燃料为佳。

钚(Pu)是人工易裂变材料，临界质量比铀小，在有水的情况下,650克的钚即可发生临界事故。钚的熔点很低(0℃),一般都以氧化物与UO2混合使用。钚与U组合可以实现快中子增殖，因而使钚成为着重研究的核燃料。

钍吸收中子后可以转换为易裂变的U,它在地壳中的储量很丰富，所能提供的能量大约相当于铀、煤和石油全部储量的总和。钍的熔点较高，直至1400℃才发生相变，且相变前后均为各向同性结构，所以辐照稳定性较好，这是它优于铀、钚之处。钍在使用中的主要为辐照下蠕变强度很低。一般以氧化物或碳化物的形式使用。在热中子反应堆中利用U-Th循环可得到接近于1的转换比,从而实现“近似增殖”。但这种循环比较复杂，后处理也比较困难，因此尚未获得广泛应用。

核燃料处理厂

陶瓷燃料 包括铀、钚等的氧化物、碳化物和氮化物，其中UO2是最常用的陶瓷燃料。UO2的熔点很高(2865℃)，高温稳定性好。辐照时UO2燃料芯块内可保留大量裂变气体，所以燃耗（指燃耗份额，即消耗的易裂变核素的量占初始装载量的百分比值）达10％也无明显的尺寸变化。它与包壳材料锆或不锈钢之间的相容性很好，与水也几乎没有化学反应,因此普遍用于轻水堆中。但是UO2的热导率较低，核燃料的密度低，了反应堆参数进一步提高。在这方面，碳化铀(UC)则具有明显的优越性。UC的热导率比UO2高几倍,单位体积内的含铀量也高得多。它的主要缺点是会与水发生反应，一般用于高温气冷堆。

弥散体燃料 这种材料是将核燃料弥散地分布在非裂变材料中。在实际应用中，广泛采用由陶瓷燃料颗粒和金属基体组成的弥散体系。这样可以把陶瓷的高熔点和辐照稳定性与金属的较好的强度、塑性和热导率结合起来。细小的陶瓷燃料颗粒减轻了温差造成的热应力，连续的金属基体又大大减少了裂变产物的外泄。由裂变碎片所引起的辐照损伤基本上集中在燃料颗粒内，而基体主要是处在中子的作用下，所受损伤相对较轻，从而可达到很深的燃耗。这种燃料在研究堆中获得广泛应用。除陶瓷燃料颗粒外，由铀、铝的金属间化合物和铝合金（或

铝粉）所组成的体系，效果也较好。在弥散体燃料中由于基体对中子的吸收和对燃料相的稀释，必须使用浓缩铀。

包覆颗粒燃料也是一种弥散体系。在高温气冷堆中，采用铀、钍的氧化物或碳化物作为核燃料，并把它弥散在石墨中。由于石墨基体不够致密，因而要在燃料颗粒外面包上耐高温的、坚固而气密性好的多层外壳，以防止裂变产物的外泄和燃料颗粒的膨胀。外壳是由不同密度的热解碳和碳化硅(SiC)组成的,其总厚度应大于反冲原子的自由程，一般在100～300微米之间。整个燃料颗粒的直径为1毫米。使用包覆颗粒燃料不仅可达到很深的燃耗，而且大大提高了反应堆的工作温度，是一种很有前途的核燃料类型。

以上几种类型的核燃料都用于非均匀堆。根据设计要求，可制成带有包壳的、不同形状的燃料元件（见图）。

核燃料

流体燃料 在均匀堆中，核燃料悬浮或溶解于水、液态金属或熔盐中，从而成为流体燃料(液态燃料)。流体燃料从根本上消除了因辐照造成的尺寸不稳定性，也不会因温度梯度而产生热应力，可以达到很深的燃耗。同时，核燃料的制备和后处理也都大大简化，并且还提供了连续加料和处理的可能性。流体燃料与冷却剂或慢化剂直接接触，所以对放射性安全提出较严的要求，且腐蚀和质量迁移也往往是一个严重问题。目前这种核燃料尚处于实验阶段（见锕系金属）。

核燃料-相关信息

伊外长要求修改核燃料交换方案

伊朗外交马努切赫尔·穆塔基2010年2月5日说，伊朗想修改国际原子能机构提出的核燃料交换方案，他对最终达成协议表示乐观。穆塔基当天接受德国《南德意志报》采访时作出上述表态。报纸定于６日刊登出这篇采访文章。

国际原子能机构2009年10月提议，伊朗把国内大部分低浓度浓缩铀一次性运往俄罗斯提纯，

然后再由法国把它们加工成伊朗研究用核反应堆所需的核燃料棒。“我们认为，这一过程将让我们进入一种新的信任氛围中，”穆塔基说，“我们已经由我们的总统、以最高级别表明我们同意，那是重要的一点。”他同时警告，伊朗不会接受国际原子能机构提议的时间表。按德新社的说法，国际原子能机构方案中，伊朗运出浓缩铀后，等待多达１年时间才能收到核燃料。穆塔基说，最近几个月外交氛围已改善，表明或许能达成一项最终协议。“最重要的一点是存在核燃料交换的政治意愿„„双方采取举措建立信任很重要，我们已感觉到那正在发生。”

二、乏燃料棒

简介

乏，有疲乏之意，意思是燃料棒的大部分能量已经被使用掉了，但是还有剩余能量可以使用。 乏燃料

又称辐照核燃料。在反应堆内烧过的核燃料。核燃料在堆内经中子轰击发生核反应，经一定时间从堆内卸出。它含有大量未用完的可增殖材料238U或232Th，未烧完的和新生成的易裂变材料239Pu、235U或233U以及核燃料在辐照过程中产生的镎、镅、锔等超铀元素，另外还有裂变元素90Sr、137Cs、99Tc等。经过冷却后把有用核素提取出来或把乏燃料直接贮存。 燃料棒

以最常见的压水堆核电站为例，核燃料采用的铀是低浓缩铀，其中含裂变材料铀-235的含量为3％（称为富集度，天然铀的铀-235富集度为0. 714％）。核燃料的形式为由铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷芯块。瓷芯块为直径1厘米，高度1厘米的圆柱体。几百个芯块叠在一起装入直径1厘米，长度约4米，厚度为1毫米左右的细长锆合金材料套管内，因为核裂变反应就像是在燃烧原子。

核燃料一经在核电厂使用发电后，即成为“乏燃料”并等待进一步处理，或者送往后处理设施从废物中回收其中所含的铀和钚，或者存放在中间贮存设施或放入“最终处置库”进行最终解决。 处理

经过辐照后从核反应堆内卸出且不再在该堆内使用的核燃料。由于它的裂变物质已经部分消耗，裂变产物毒性物在材料中积累，这时的燃料不能继续有效的维持链式反应。自反应堆内替换下来的乏燃料，其特性是具有很高的热量并含有一定量的裂变燃料，包括未和新产生的核素，还有许多放射性活度极高的衰变产物。一般是将其贮存在与反应堆压力壳毗邻的乏燃料贮存水池中，俟冷却到一定程度后，可以运往专门的工厂回收其中宝贵的裂变燃料，以制成新的燃料元件或用作核武器装料，对具有毒性的分离物则进行妥当的处理，避免危害环境。 案例

朝鲜已开始对从试验核反应堆中取出的乏燃料棒进行再处理。

朝鲜通讯社当天援引这位发言人的话说，乏燃料棒的再处理是为了“对付敌对势力日益加重的军事威胁”。这一行动“将对努力加强自卫的核遏制力做出贡献”。

朝鲜4月5日宣布发射卫星后，联合理会13日就此发表声明，认为朝鲜的发射活动违背了安理会第1718号决议。朝鲜外务省14日在平壤发表声明，拒绝接受安理会的这一声明，宣布退出朝核问题六方会谈，并按原状恢复已去功能化的核设施。

落棒事故

当反应堆发生落棒事故时，燃料芯块与包壳的相互作用瞬间增强，易造成燃料棒破损，从而影响核电站的正常运行。本文介绍了反应堆Ⅱ类瞬态下燃料棒芯块与包壳相互作用的机理和定量分析方法，并针对大亚湾核电站18个月换料的燃料管理方案进行了发生落棒事故时的PCI热力学评价。初步的研究结果表明：如果在自然循环长度和延伸燃耗运行期内发生落棒事故，对于基负荷运行和基负荷一次调频运行，均有PCI的应力裕量，不会造成燃料棒破损。

堆芯冷却

core cooling

堆芯冷却-相关

堆芯冷却

堆芯熔化

堆芯冷却-堆芯

堆芯是反应堆的心脏，装在压力容器中间。它是燃料组件构成的。正如锅炉烧的煤块一样，燃料芯块是核电站“原子锅炉”燃烧的基本单元。这种芯块是由二氧化铀烧结而成的，含有2～4%的铀－235，呈小圆柱形，直径为9.3毫米。把这种芯块装在两端密封的锆合金包壳管中，成为一根长约4米、直径约10毫米的燃料元件棒。把200多根燃料棒按正方形排列，用定位格架固定，组成燃料组件。每个堆芯一般由121个到193个组件组成。这样，一座压水堆所需燃料棒几万根，二氧化铀芯块1千多万块堆芯。此外，这种反应堆的堆芯还有控制棒和含硼的冷却水（冷却剂）。控制棒用银铟镉材料制成，外面套有不锈钢包壳，可以吸收反应堆中的中子，它的粗细与燃料棒差不多。把多根控制棒组成棒束型，用来控制反应堆核反应的快慢。如果反应堆发生故障，立即把足够多的控制棒插入堆芯，在很短时间内反应堆就会停止工作，这就保证了反应堆运行的安全。

堆芯冷却-相关图片

堆芯冷却

堆芯熔化-堆芯

堆芯是反应堆的心脏，装在压力容器中间。它是燃料组件构成的。正如锅炉烧的煤块一样，燃料芯块是核电站“原子锅炉”燃烧的基本单元。这种芯块是由二氧化铀烧结而成的，含有2～4%的铀－235，呈小圆柱形，直径为9.3毫米。把这种芯块装在两端密封的锆合金包壳管中，成为一根长约4米、直径约10毫米的燃料元件棒。把200多根燃料棒按正方形排列，用定位格架固定，组成燃料组件。每个堆芯一般由121个到193个组件组成。这样，一座压水堆所需燃料棒几万根，二氧化铀芯块1千多万块堆芯。此外，这种反应堆的堆芯还有控制棒和含硼的冷却水（冷却剂）。控制棒用银铟镉材料制成，外面套有不锈钢包壳，可以吸收反应堆中的中子，它的粗细与燃料棒差不多。把多根控制棒组成棒束型，用来控制反应堆核

反应的快慢。如果反应堆发生故障，立即把足够多的控制棒插入堆芯，在很短时间内反应堆就会停止工作，这就保证了反应堆运行的安全。

燃料组件制造

燃料组件制造-核燃料组件制造

核燃料是把烧结的二氧化铀芯块，装到锆合金管中，将近三百根装有芯块的锆合金管组装在一起，成为燃料组件。大多数组件中都有一束控制棒，控制着链式反应的强度和反应的开始与终止。全M5燃料是指燃料包壳管、控制棒导向管、组件格架均采用锆铌合金材料。 全M5AFA3G燃料组件是当今世界最先进的核电燃料元件之一，其先进性主要表现在锆铌合金在反应堆内的低腐蚀和低吸氢性能，使组件在高燃耗下仍能保持良好的机械强度和尺寸稳定性。此前，该技术为欧美等发达国家所掌握，我国只能生产AFA2GA和AFA3G的燃料组件类型。

使用新型核燃料组件，也是岭澳核电站一期实施1／4换料技术的重要内容。目前我国核电站使用的都是1／3换料技术，即每年大修替换整个反应堆燃料组件的1／3，以维持反应堆满功率发电。由于新型核燃料组件具有高抗腐蚀性能，因此能提高组件平均燃耗，从而实现1／4换料技术。

据测算，岭澳核电站两台机组使用新型燃料组件，实施1／4换料后，每年可节约燃料成本约2000万美元。

燃料组件制造-快中子增殖堆燃料组件制造

再生材料块、压紧弹狡、套管和上下端塞构成。燃料棒的制造普遍采用芯块填装法，而不用振动填充法和旋锻法。芯块填装法生产燃料棒首先将下端塞和包壳管焊接，然后将芯块、弹黄等装人包壳管.再压人上端塞.进行焊接。

废燃料

美国计划对核电站核废燃料的回收利用进行开发研究，并在2007财年预算中，申请为能源部拨款2.5亿美元。

这笔资金将用于名为“全球核能伙伴”的核废燃料回收利用计划。根据设想，美国将与俄罗斯、法国和英国等合作，进行向世界其他国家供应核燃料的基础设施建设。美国能源博德曼称，该计划“在环保的同时减少核扩散的危险”。

废燃料-简介

美国曾于上世纪70年代放弃核废燃料的回收利用。现在美国希望采用新技术，使钚继续与其他高放射性材料混合在一起，使其不便于用来制造核武器，以减少安全隐忧。美国核电站废料储藏于拉斯韦加斯附近的亚卡山。白宫称，利用新技术回收利用核废燃料的计划可使亚卡山的核废料储量减少80％，并利于建设更多的反应堆。

废燃料-处理

废燃料棒在经过再处理后可能产生钚，因此被认为是可以制造核武器的危险物质。 外交消息人士表示：“宁边核反应堆废燃料棒的处理问题尚未取得六方会谈与会国的一致同意，所以无核化工作组会议可能会讨论这一问题。”

朝鲜和其他与会国决定关闭5兆瓦核反应堆后，认为在2个月的初期阶段履行期间很难提取重达50吨的8000个废燃料棒，因此与会国决定暂时搁置处理问题，先进行关闭工作。 但消息人士表示：“随着进入核设施去功能化阶段，处理废燃料棒问题正在成为急需解决的问题。”“就废燃料棒处理方案，如同1994年的《朝美日内瓦框架协议》，提取废燃料棒后密封在容器内的方案最安全，但这一工作约需要4年的时间和3500万美元(约2.66亿人民币)的费用。”

“除此之外还有费用低并且时间短(2至3个月)的烘干保管方法，和放在水槽的方法。但是这些方法只要下决心，进行再处理后还能照样地提取核物质，因此不能算是安全的长远之策。”“此外，也可以在提取废燃料棒后送到英国等国家进行再处理。但这一方法的相关法律规定，再处理后产生的钚应归还给委托国家，也就是朝鲜。”该人士说。

废燃料-处理还有，请听下回分解