铀资源怎么变成核燃料？

2018/1/12 14:13:42

核燃料进入核反应堆前要经历铀矿开采、提取、精制、转化、浓缩、燃料元（组）件制造等过程的加工。

由于铀矿具有放射性，通过测量射线强度，可以计算铀矿储量和确定有无开采价值。铀矿的开采分为常规采矿和化学采矿，总的原则是安全、合理、经济、最大限度地将铀资源从地下回采出来。

铀的提取必须用化学试剂把矿石中铀的有用组分转化为可溶性化合物，即把铀从固相转为液相，再经固液分离把含铀的浸出液与矿渣分离，然后用离子交换、萃取、沉淀等方法对含铀浓度低、杂质含量高的浸出液进行铀的浓缩、提取，制得不同形式的铀化学浓缩物，亦即“黄饼”。由于八氧化三铀是所有铀氧化物中最稳定的，易于长期储存，所以当今世界铀交易市场都是以八氧化三铀的形式进行交易的。因此有些国家还要把铀化学浓缩物做进一步加工处理和煅烧（700℃），冷却后制成八氧化三铀。

虽然铀化学浓缩物在天然铀含量上得到浓缩和提高，但是其中仍然有较多杂质，因此必须将铀化学浓缩物用硝酸溶解、过滤、萃取、反萃取、沉淀、结晶和煅烧，使铀氧化物进一步提纯。这个过程称为“铀精制”，最终严格控制产品中吸收中子能力较强的镉、钼、钛、钨、钽、矾等元素含量不超过10-3～10-4％；控制产品中吸收中子能力较弱的锂、硅、铁、铝、碳等元素含量不超过10-2～10-3％。

经过精制的铀化合物还要通过“铀转化”过程转化为天然气态六氟化铀。因为六氟化铀是唯一一种既稳定又具有高度挥发性的铀化合物，非常有利于下一步对铀-235的浓缩，所以至今一直被用作富集工厂的供料。转化过程一般是先将铀氧化物转化为四氟化铀，再将四氟化铀通过高温氟化转化为六氟化铀。

“铀浓缩”是我们在整个核燃料循环前端中最熟悉的一个环节。天然铀中，铀-235的富集度只有0.7%，铀浓缩就是要利用铀-235和铀-238的原子核质量数的微小差别将它们分离，达到富集铀-235的目的。通常采用气体扩散法和气体离心法，这样我们就不难理解为什么需要“铀转化”来将固态的铀氧化物转化成气态六氟化铀了。

燃料元（组）件制造的过程首先以铀浓缩厂生产的六氟化铀为原料，通过化工转化，制备二氧化铀粉末，再将二氧化铀粉末均匀、制粒、压制、结烧、磨削、清洗、干燥，成为二氧化铀陶瓷体。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，这就是燃料棒。燃料棒再与上下管座、格架和控制棒导向管组装成压水堆核电厂燃料组件。

除了广泛适用于轻水堆、重水堆和快堆的陶瓷型核燃料，还有石墨慢化堆使用的金属型核燃料，高温气冷堆使用的弥散体核燃料，以及熔盐堆使用的液体核燃料等类型。