核燃料生产过程

图解核燃料生产过程铀矿石中含铀量普遍不高，其放射性主要来自伴生的镭和氡，铀本身的放射性是相当有限的;所以，矿山开采，做好通风是必要的(带走氡);而镭等则在水冶厂生产过程中，被甩到尾渣里了(尾矿坝)。水冶厂出来的产品，因为矿石成分不同，采取的工艺也有差别，黄饼是通行的称呼，但重铀酸铵或者三碳酸铀酰铵(钠)等也是常见产品;其中杂质也和矿石、工艺有关，除杂比较好的可以称为核能纯产品。核能纯产品纯化很简单，否则就要经过再纯化，以进一步去除产品中的杂质离子(和放射性元素无关，比如铁钙镁钒等)。这个就是黄饼，比较干燥，131潮湿一些，样子有点像鸡蛋黄。这个是装黄饼的桶，可以看看工作人员有什么特别防护没有。类似的产品桶，咱以前常靠着吸烟(主要是为了让学员放松一些，倒不是真要在产品库吸烟)。装运产品的产品桶，咱也靠着打过盹和吃过饺子，那是很多年前在运送产品的专列上。纯化后的铀化合物，经过几个步骤，逐步转化成六氟化铀，以便于利用气体离心机进行分离浓缩(六氟化铀加热后就成为气态，冷却后就是结晶，这个是个非常好的特性)。分离浓缩想必大家都清楚，就是通过气体离心机的级联，将天然铀中丰度0.7%左右的铀235，逐步浓缩到4.5%左右;这个过程是以六氟化铀形势存在的，浓缩后的低浓缩铀丰度4.5%左右，而分离后的尾料就是贫料(贫铀)，其中含有0.2--0.3%的铀235。低浓缩铀，必须再次经过转化，变成氧化铀，然后制胚、烧结成氧化铀陶瓷，也就是所谓的核燃料(芯块)了;氧化铀陶瓷具有非常好的强度和热工性能。姑且算是一粒柴吧。这个是制胚这个是烧结燃料芯块，按照一定要求装入锆管中，加上相应附件(气室、弹簧的等，理工科的容易理解，这东西可是高温下使用的，还会产生少量气体)，封装后就成了燃料棒。这就是一根柴了。燃料棒，按照一定位置，逐支插入、固定在燃料组件(一个框架，其中包含有控制棒导管、搅浑格架和锁紧机构等)中，安装相应附件就成了核燃料组件。也就是一捆柴了。这个是燃料工厂的一角这个是安装了控制棒的核燃料组件。这个是核燃料组件运输罐和车反应堆堆芯，可以看看核燃料组件排列布置方式，所谓157、177堆芯，指的就是堆芯装载燃料组件的数量，有兴趣的可以再自己去发掘一下装有控制棒组件的燃料组件该怎么布置。这个是堆芯模型，可以看到核燃料组件怎么排列和插入的。反应堆堆芯换料，可以看到移到一遍的反应堆压力容器上盖。从堆芯卸载乏燃料。储存乏燃料的乏燃料水池。乏燃料组件运输车和碰撞试验。顺便来一张国外核电站的警卫图。乏燃料在经过几年时间冷却后，运输到后处理厂，再次储存在水池里。在经过检测，可以进行再处理后，将乏燃料组件中的燃料棒，利用机械绞断，浸泡在硝酸溶液中，其中的陶瓷芯块溶解，锆管则回收利用。这些回收后的金属经过锻压。变成金属锭。储存金属锭的运输罐。而溶解在硝酸中的燃料芯块，分离出铀和钚后，高放废物烧结成陶瓷，储存在罐内，进行填埋处置。而回收的铀可以掺混或者再次浓缩，制成新燃料;钚以氧化钚的形式储存，或者添加到氧化铀中，做成MOX燃料。这个是新燃料组件。从上面的图解中不难看出，整个过程中就一个浓缩过程是气态的，而且这一段也是最费投资的。六氟化铀没有想象的那么毒，刺激性和重金属特性倒是比较突出;六氟化铀在容器中是稳定的(温度，生产过程中加热气化)，生产全流程也是闭合流程，现做现用，转化和浓缩过程中向厂房内和厂区外泄露概率很低(负压);这东西重量很大，常温下很容易沉降，就是泄露扩散范围也有限。六氟化铀的风险主要在大量的尾料(贫铀)的处理方式，这个数字累积起来比低浓缩铀产品大很多，长期储存后可以转化为稳定氧化铀形态，风险就小的多了。整个生产过程中的废弃物主要是纯化分离出的杂质和酸碱，不过这些废弃物和放射性无关，属于化学处理的残余，量也不大，处理也比较简单，有回收利用价值的，可以返回水冶厂再回收利用;没有回收价值的，也运回水冶厂，中和后(用大量生石灰即可)进入尾矿坝。乏燃料中放射性物质很杂，裂变产物活化产物锕系元素，短中长寿命的都有，数量和强度各异，每个阶段也各有特色，不一而足。处理上，先放置冷却，让一些短寿命的元素偃旗息鼓后进行后处理，分离出有用的铀钚(下一步再分开铀和钚)，其他废物打包浓缩，再烧结成陶瓷(也叫玻璃)装罐，堆放到永久填埋场。