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走近核燃料再循环

来源:中国核科技信息与经济研究院2019-03-05

内容描述

 能源资源的利用驱动着人类文明与科技的进步。近日热映的科幻片《流浪地球》中,就提到了一种神奇的能源“火石”——人类利用这种能源启动行星发动机,从而成功拯救了地球。而根据其高能量密度的特性,笔者大胆推断,这很有可能就是一种引发核聚变反应的燃料。

 其实,地球上类似于“火石”的能源资源很多——十几世纪以来,人类对石油、天然气、煤炭等资源的开发利用,大幅提升了人们的生活质量。然而,这些资源并非取之不尽、用之不竭。在乐享生活便利的同时,我们也要意识到:地球自然资源的快速耗竭、生态破坏,以及环境污染引起的全球变暖等危害正在发生。为此,循环绿色利用地球资源,是人类未来的必然选择。

 其中,利用核能发电是人类20世纪能源革命中的重大成就之一。事实证明,核电是一种安全、经济、高效、低碳的能源,其对传统化石能源的替代有效降低了温室气体及烟尘等有害物质的排放,绿色环保。然而,核电中的核燃料——天然铀资源也有耗尽的一天。而且我国铀矿资源不甚丰富,现已探明的储量居世界10名之后。

 为破解这一难题,核燃料再循环成为充分利用有限铀资源,实现核能供给最大化的重要途径。目前,法国、英国、日本等都在使用核燃料再循环,我国也采取了这种后处理手段。其中,全球最大的商用后处理运营商是法国的欧安诺(Orano)集团,每年可处理约1700吨乏燃料。法国还将回收的铀与钚转化为氧化物制造成铀钚混合氧化物燃料(MOX),在比利时、德国等地的35个核电站中使用。事实证明,MOX燃料的性能令人满意。

 以目前普遍采用的压水堆核电站为例,当核燃料在核电厂受到中子照射即“燃烧”时,其中的铀-235会诱发“链式反应”,放出巨大能量。但随着铀-235被逐渐消耗,并产生裂变产物(如锶-90)以及超铀元素(如镎-237),这些成分的改变影响了核燃料的反应性与能量的产生,因此,核电厂必须不定期更换新的燃料,以维持电量稳定供应。虽然这些换下来的,经中子照射的核燃料被称为“乏燃料”,其实它并不贫乏,仍含有约三分之一的铀-235,并能产生可裂变的钚-239。而核燃料再循环就是通过后处理技术,将乏燃料中可再利用的铀与钚提取出来,加工成新的核燃料供核电厂使用。

 在乏燃料的后处理中,首先要切割燃料,将燃料芯块从燃料包壳中取出来,并将芯体溶解。然后,采用有机溶剂萃取分离出铀与钚——这就是目前普遍采用的普雷格斯流程水法后处理工艺。后处理回收的铀和钚,可以分别用来制造铀、钚或MOX燃料,返回反应堆中再利用,实现核燃料再循环。据计算,通过再循环可使铀资源的利用率提升近40%,并节省了铀资源采矿需求。

 可以看出,核燃料再循环可以提高资源利用率,减少天然铀的需求,是铀资源循环的一种有效尝试和运用。特别是在当前铀资源较贫乏的我国,这一举措可以又好又快地实现核电发展计划,支撑构建清洁低碳、安全高效的能源体系。

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