什么是核燃料循环？

什么是核燃料循环？

核燃料虽然是一种不可再生能源，但据说比化石燃料更有效率。铀是一种放射性金属，常用于生产核燃料，具有产生大量能量的潜力。然而，要发挥这种潜力，铀必须先经历核燃料循环。

核燃料循环分为三个阶段，每个阶段又包括几个阶段。这三个阶段分别是前端或准备阶段、燃料用于发电的服务期，以及对乏核燃料进行安全管理以进行再加工和再利用或处置的后端。

彼得·索博列夫/Shutterstock

核循环的前端

前端涉及几个阶段，首先是勘探原材料，然后开发铀矿。铀是一种常见金属，存在于大多数岩石和土壤中，其储量比黄金丰富约 500 倍。一旦确定某个地点含有铀，矿山开发商可能会进行开发钻探，以确定可以提取多少铀。

下一阶段是开采铀矿石，这可以使用几种技术：地下开采、露天开采和原地浸出。原地浸出或原地回收是美国最常用的方法，它是通过直接从矿石中提取铀来完成的。

接下来是研磨阶段，将矿石转化为铀精矿。铀矿石被压碎、粉碎并研磨成细粉，然后用化学品处理，使铀与矿石中的其他物质分离。这一过程的产物是一种粉末，称为黄饼（因其亮黄色或橙色）或氧化铀（U3O8）。这一过程将铀浓度提高到 80% 以上。

下一阶段是转化，将黄饼转化为六氟化铀 (UF6) 气体。铀主要由两种同位素组成，即 U-238 和 U-235。铀-235 是可裂变同位素（能够进行裂变，即核反应堆中释放能量的过程）；然而，其天然浓度仅为 0.7%，这还不够，需要增加到 3% 至 5% 之间。

为了增加铀-235 的浓度，UF6 需要经过浓缩阶段，即被送入离心机（数千个快速旋转的垂直管），将较重的同位素推向圆筒壁。这样就产生了浓缩的 UF6，其铀浓度达到了必要的 3% 至 5% 之间。

浓缩的 UF6 需要重新转化为浓缩的氧化铀或二氧化铀 (UO2) 粉末。然后，这种粉末被压缩成小的陶瓷燃料球。然后，这些球被塞进长长的金属管中，制成燃料棒，这些燃料棒被组合在一起，制成燃料组件。核燃料循环前端的最后阶段称为燃料制造。这些燃料组件已准备好被引入核反应堆。

核燃料循环的服务期

这是核电站内部发电的阶段。燃料制造过程中形成的燃料组件被装入核反应堆，在那里发生受控裂变。裂变事件中释放出热能，用于加热水，产生高压蒸汽。这些蒸汽将推动与发电机相连的涡轮机，最终产生电能。燃料将使用三到六年，大约 30% 的燃料组件每 12 到 18 个月更换一次，以保持反应堆的高效性能。核电站一年将生产超过 8 亿千瓦时的电力。

核燃料循环的后端

一旦燃料组件耗尽并被更换，它们将继续发出高水平的辐射。乏燃料将被储存在水下储存池中，以降低这些辐射水平。这些池子既能吸收热量，又能提供辐射屏蔽，几年后，乏燃料将可转移到干式储存桶或湿式储存池中。

乏燃料中仍含有可进行再加工的铀、钚和废品。如果不进行再加工，乏核燃料将被埋入地下深处，以最大限度地降低对人类和环境的健康风险。目前，美国还没有永久性的地下处置库。