核燃料循環

核燃料進入反應堆前的製備和在反應堆中燃燒后的處理的整個過程。這個名稱反映了核燃料在反應堆中只能燒到一定程度就必須卸出並換上新燃料這個特點。乏燃料（即燒過的燃料）中的鈾和鈈可以分離出來並返回反應堆，作為燃料循環使用，形成核燃料的循環。

概況 核燃料循環以反應堆為中心，劃分為堆前部分（前段）和堆後部分（後段）。前段指核燃料在入堆前的製備，包括鈾礦的開採、鈾礦石的加工精製（即前處理）、鈾的轉化、鈾的濃縮和燃料元件製造等過程。後段指從反應堆卸出的乏燃料的處理，包括乏燃料的中間儲存，乏燃料中鈾、鈈和裂變產物的分離（即核燃料后處理），以及放射性廢物處理和放射性廢物最終處置等過程。附圖表示壓水堆電站的核燃料循環，其中略去三廢處理中氣體、固體和中低放廢液的處理和處置。（見彩圖）

前段 核燃料循環從開採鈾資源開始。開採出來的鈾礦石經過精選，送到前處理廠製成八氧化三鈾。壓水堆核電站以含鈾235約3％的低濃鈾作為燃料，但天然鈾的鈾235含量只有0.720％。為了把天然鈾中鈾 235的含量提高到3％,需要進行鈾同位素分離即鈾的濃縮。當前工業規模的鈾的濃縮工廠以六氟化鈾為供料，因此需要把前處理的產品八氧化三鈾進行還原、氫氟化和氟化轉變為六氟化鈾，這就是鈾的轉化過程。在鈾的濃縮工廠中，六氟化鈾中的鈾235含量被濃縮至3％左右。這樣得到的六氟化鈾須再經過一個轉化過程變為二氧化鈾，才能送至元件製造廠製成含鈾235約3％的低濃鈾燃料元件。至此，核燃料循環的前段完成。

後段 從壓水堆卸出的乏燃料中，鈾235的含量仍有0.85％左右，高於天然鈾；而且每噸乏燃料中還含有約10千克的鈈，其中可作為核燃料的鈈239和鈈241約佔7千克。因此，如將這些易裂變核素分離出來，作為燃料返回反應堆，既可節約天然鈾，又可節約分離功。據估計，將鈾循環使用，可節約天然鈾約20％,節約分離功4％左右。如將鈾和鈈都循環使用，可節約天然鈾約40％，節約分離功15％左右。

為了進行鈾和鈈的循環，須將乏燃料中的鈾和鈈分離並凈化到所含裂變產物的放射性低到人們可以接近的水平，這就是后處理工廠的任務。剛從反應堆中卸出的乏燃料放射性太強，一般需要在冷卻水池中存放3～5年，使放射性大大衰減之後，才送到后處理廠去處理。這個存放步驟稱做中間儲存。從后處理廠得到的含鈾 235約0.85％的鈾產品（稱做堆后鈾），又須經過轉化過程變為六氟化鈾，並送至鈾的濃縮工廠，濃縮到含鈾235約3％，然後再轉化為二氧化鈾，以便製成燃料元件(見圖)。從后處理廠得到的鈈產品通常是二氧化鈈，可儲存起來以備將來利用；也可和二氧化鈾一起製成混合氧化物燃料，返回壓水堆使用，或作為快中子增殖堆的燃料使用。

從后處理廠出來的放射性廢物，均須經過妥善處理和處置，以確保在長期儲存條件下也不轉移到生物環境中。其中最重要的是佔全部廢物放射性約99％的高放廢液的處理和處置。處理的方法是先將高放廢液在不鏽鋼大罐中暫時儲存一段時間，然後根據各國不同的要求，或將高放廢液直接固化成為硼硅酸鹽形態的玻璃塊，或先將其中極長半衰期（如鈈 239需幾十萬年才能衰變到無害水平）的 α放射性核素移除，加以利用，或單獨處置，然後再固化成玻璃塊。固化塊經包裝后一般要求在地面長期儲存庫儲存數十年，待其發熱量衰減到較低時，再送至最終處置庫，在地下深層永久埋藏起來。至此，核燃料循環的後段就完成了。（見放射性廢物處理）

循環方式 除了前面講到的壓水堆（輕水堆）的鈾（鈈）循環方式以外，還有快中子增殖堆(簡稱快堆)的鈾-鈈循環方式以及釷-鈾循環方式等。

快堆鈾-鈈循環 從最大限度利用鈾資源的角度來看，應發展快中子增殖堆。這種堆以鈈239為燃料，並裝載鈾238,在堆中所裝鈾238轉化成為鈈239的量大於燒掉的鈈239的量，將佔天然鈾99％以上的鈾238也利用起來，進行鈾-鈈循環。鈾-鈈循環就是在快堆中將鈾 238轉化為鈈239，並通過後處理把鈈分離出來，作為快堆的燃料循環使用。在發展初期，可用壓水堆后處理得到的鈈作為裝料；發展到一定規模后，就可用快堆自己增殖的鈈作為燃料。

釷-鈾循環 指在熱中子堆中把釷232轉化為另外一種核燃料鈾233，通過後處理把鈾233分離出來返回堆中循環使用。適於採用這種核燃料循環的堆型是高溫氣冷堆，其科研開發工作現已接近商業化階段。在重水堆甚至輕水堆中，也可採用這種燃料循環方式，科研工作尚處於開始階段。

一次通過 有些國家考慮對壓水堆電站乏燃料不進行后處理，而直接包裝或經切割后包裝，然後送到深地層的最終處置庫永久儲藏起來。這樣未經后處理也就是沒有封閉的核燃料循環，稱做一次通過。加拿大核發電用的是重水堆，燃料用天然鈾，燒過後其中鈾235含量只有 0.3％，所以對核燃料循環一直採取一次通過的方針。有些國家對於壓水堆電站的核燃料循環也考慮採取一次通過的方針，這是因為這些國家的后處理和高放廢液處理的費用十分高。當前國際市場上天然鈾價格疲軟，濃縮鈾市場飽和，而商業鈈價格既低，又未商品化。因此，對於這些國家來說，搞一次通過在經濟上較為合算。但是，一個1000兆瓦的壓水堆電站卸下燃料中所含錒系元素的α 放射性高達10萬居里左右，把這樣大量的極長半衰期的α 放射性核素長期埋在地下能否保證安全尚未肯定，把大量可以利用的鈾238和鈈239埋在地下廢棄不用也是不合理的。因此，大多數國家如英、法、聯邦德國、日本、義大利、蘇聯、阿根廷和印度等皆採用核燃料循環的方針，對於壓水堆電站乏燃料進行后處理，以大大減少需要最終處置的α 放射性核素，並把鈾和鈈循環使用。

參考書目

M.班乃迪等著，汪德熙等譯：《核化學工程》，原子能出版社，北京,1987。(M. Benedict, et al.,Nuclear Chemical Engineering,2nd ed., McGraw-Hill, New York, 1981.)

R.G.Wymer and B. L. Vondra,Light Water ReactorNuclear Fuel Cycle,CRC Press, Florida, 1981.

三島良績編著，張鳳林、郭豐守譯:《核燃料工藝學》，原子能出版社，北京，1981。（三島良績編著：《核燃料工學》，同文書院，東京，1972。）