铀钚 走近天然铀

说到天然铀，大家都知道它有一定的放射性。然而，对其辐射水平及其在人类生产活动中的应用的认识并不全面。其实自然界到处都有放射性物质，只是放射性强度不同。研究表明，一个口袋里装着重约0.5公斤的铀矿石的人每天接受的辐射量与戴着发光手表的人差不多。在过去，铀也被用作调色剂来制作漂亮的玻璃和陶瓷釉料。现在，让我们来探索天然铀的奥秘。

铀在自然界中有三种同位素:U238、U235和U234，其中U238含量大于99.2%，U235含量仅为0.72%，U234含量小于0.1%。根据理论计算，1 kg U235衰变释放的能量相当于42节火车车厢运煤产生的能量，是一种能量密度巨大的物质。天然铀衰变主要释放的是α射线，不是危险的γ射线，是氦原子的质子核，只能用一张A4纸挡住。但是人体的衣服和皮肤可以完全隔绝α射线，不会影响人体内部组织。

天然铀是国家战略资源。作为“核电的粮食”，它在核电燃料安全和核工业发展中发挥着非常重要的作用。1991年，中国设计、建造、运营和管理的第一座30万千瓦压水堆核电站秦山核电站并网发电，标志着中国和平利用核能。经过多年的发展，我国已具备百万千瓦压水堆核电机组的独立设计、建造、运行、管理和相应的R&D系统的能力。核电发电本身不产生环境污染物，是一种“零排放”的电源，有利于大气污染物的防治和温室气体的减少。百万千瓦核电厂一年消耗天然铀约200吨，相当于比燃煤发电减少标准煤燃烧300万吨，向大气排放二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物600万吨。

那么，天然铀是如何用于核能发电的呢？天然铀不能像燃煤一样直接用作燃料，它需要经过一些复杂的工艺过程才能获得核能发电所需的最终核燃料。

首先，水冶工厂将开采的铀矿石加工和提炼成“黄饼”，然后对铀矿石进行提纯和转化——水冶工厂提炼的“黄饼”被进一步提纯和加工成氟化铀。由于大多数核电厂使用铀235含量在2%-5%范围内的低浓缩铀作为核燃料，并且上一步天然铀产品中的铀235含量相对较低，因此有必要通过同位素分离技术进一步分离铀235和铀238，以提高铀235的相对含量。其工作原理与洗衣机相似。相对重量较轻的U235，通过离心机的离心旋转进行分离。U235达到浓缩要求后，就可以制造燃料元件，即核能发电的最终产品。然后将燃料元件送入反应堆堆芯，用外来中子轰击U235核分裂成两个核，释放出两个新的中子，同时释放出大量能量；核裂变过程中产生的新中子也能被其他U235原子核俘获，使核反应像链一样继续，形成链式反应，从而不断释放能量。在核电厂运行过程中，堆芯中的控制棒可以被提升，以控制反应堆的启动和停止，并保持核反应堆的稳定运行。

在核电站运行一段时间后，燃料元件可以“光荣退役”，因为它们不再能维持链式反应。此时称为乏燃料，其中包括少量未裂变的U235、大量难以裂变的U238、新生成的裂变材料Pu239、镎、镅等核素。乏燃料其实是一种非常珍贵的材料，属于“未利用的资源”。反应堆排出的乏燃料通常储存在核电反应堆的乏燃料池中，需要冷却储存5年以上。之后可以送到后处理厂进一步处理，即回收铀和钚资源，制成铀钚氧化物混合燃料，可用于压水堆核电站和快堆核电站，还可以获得锕系元素等有用的放射性同位素。乏燃料后处理产生的中低放射性废物被送往中低放射性废物处置场进行处置；产生的高放废物经玻璃固化后，送至地质结构稳定的深部地质库处置；基于标准和规范的废物库可以将放射性废物与人类生活环境永久隔离。