核燃料和核废料

让我们从核燃料的制造开始。先看看核燃料循环的流程图。

事实上，核燃料通常由铀、钍和钚制成。但目前，铀是制造核燃料最广泛使用的元素。

当然，第一步是勘探和开采铀矿。

铀矿一般看起来是这样的。铀实际上是地壳中最常见的元素之一，比银多40倍，比金多500倍。它在岩石、土壤、河流和海洋中随处可见。

然而，商业铀矿开采面临的挑战主要来自大部分地区铀矿床的低质量，以及糟糕的矿业经济。

事实上，铀矿在世界各地都有广泛的分布。大型矿床主要分布在澳大利亚、哈萨克斯坦和加拿大。加拿大阿萨巴斯卡盆地发现了质量最高的铀矿床。

天然铀主要由U-238和U-235组成，其中99.28%是U-238，只有0.71%是U-235，其余0.01%是U-234。

但世界上大部分核电站都需要使用2%-5%浓缩度的U-235作为核燃料。

因此，铀矿石不能直接用作核燃料，通常需要一系列复杂的处理过程才能得到相应的核电站核燃料。

接下来是铀提取过程。主要是对开采出来的矿石进行破碎和研磨，使铀矿石充分暴露，然后容易浸出，再用化学试剂溶解矿石中的有价成分。

此时得到的浸出液中铀含量低，杂质多，需要去除。

需要溶液净化。

离子交换法和溶剂萃取法通常用于沉淀铀化学浓缩物，

洗涤相应的浓缩物，压滤并干燥，得到黄饼。

黄饼通常有天然铀组成的干粉物质，但并不总是黄色的。

下一步是铀转化。根据用途，黄饼有两种改造方式:

1.对于大多数核电站来说，它将被转化为六氟化铀。此时，六氟化铀仍然是99.28%的U-238和0.71%的U-235。

2.对于CANDU这种不需要燃料浓缩的堆型，只需要转化成二氧化铀，就可以包含在陶瓷燃料元件中。

六氟化铀UF6

二氧化铀

然后就是铀浓缩。0.71%的U-235与核电站的燃料需求(轻水反应堆为3.5%的U-235)相差甚远，因此需要对上一步得到的六氟化铀进行浓缩，以增加U-235的丰度。

该步骤主要采用气体扩散法和离心分离法，通过相应的同位素分离技术将六氟化铀浓缩成所需丰度的军用和民用核燃料。此外，还有激光法、喷嘴法、电磁分离法和化学分离法。

铀浓缩方法通常是一项非常敏感的技术，每个国家都有相应程度的保密机制。

具体的方法这里不细说，也不是这个回答的重点。

浓缩铀

浓缩铀

在这个过程中，除了相应的浓缩铀外，还会产生大量的副产品。分离出来的尾矿也被称为贫铀(DU)，可用于制造贫铀弹(丰度0.3%)、装甲、辐射屏蔽和镇流器。

各种类型的贫铀弹

最后，可以制造反应堆的燃料组件。

燃料组件看起来像这样。

这是放大后的样子。

在这些管子里，就是丰度在3.5%左右的浓缩铀。装料以燃料芯块的形式填充。

之后就是愉快的发电了。其实核燃料和核废料之间还有一个中间产物，叫做乏燃料。乏燃料又称辐照核燃料，是经过辐照和使用的核燃料，通常由核电站的核反应堆产生。核燃料通过中子轰击在反应堆中进行核反应，经过一定时间后从反应堆中排出。它含有大量未使用的扩散材料，如铀-238或钍-232，未燃烧的和新产生的裂变材料，如钚-239、铀-235或铀-233，超铀元素，如核燃料辐照过程中产生的镎、镅和锔，以及裂变元素，如锶-90和铯-137。这种燃料被称为乏燃料，因为它的铀含量减少，无法继续进行核反应。

因为乏燃料需要回收，经过一系列处理，最终会产生核废料。

乏燃料的处理主要是回收乏燃料中残留的铀和钚。主要处理流程见下图:

乏燃料贮存水池

从核电站取出用过的燃料棒。

希望能对大家有所帮助。