铀蛋成长记——图解核燃料生产过程

众里寻他千百度——铀矿的开采：铀在地壳中的平均含量为百万分之二至四。开采铀矿的方法包括：露天开采、地下开采、原地浸出和钻孔开采等。铀矿石要压碎至粉末状，再经酸或碱浸滤，浸滤液需通过沉淀、溶液萃取和离子交换，形成一种称为“黄饼”(八氧化三铀)的铀精矿。

吹尽黄沙始到金——铀矿加工制黄饼：将具有工业品位或经物理选矿的矿石，经磨碎、酸浸（或碱浸），加工成含铀量较高的中间产品，即铀化学浓缩物：黄饼（八氧化三铀）。黄饼具有微量的天然放射性，会发生极缓慢（衰变核的数量经过~10亿年变为原来的一半）的α衰变，生成α射线（即氦核），α射线的穿透能力极弱，人类的皮肤甚至一张纸即可隔挡。因此运输黄饼的桶不需要任何特别防护。

问渠哪得清如许——铀的纯化精制：纯化精制的目的是除去铀浓缩物中的杂质，得到核纯产品。这些杂质包括高中子吸收截面的物质、可形成易挥发氟化物的物质，以及化学性质与铀相近的物质。纯化精制的产品可以是硝酸铀酰、重铀酸铵、八氧化三铀、二氧化铀等。

化作春泥更护花——铀的转化：将铀的化合物从二氧化铀，经过氟化，转化为六氟化铀气体，为进一步铀浓缩做准备。

众人拾柴火焰高——铀浓缩级联：自然界中的铀以三种同位素的形式存在：铀-238（99.275%）、铀-235（0.72%）、和微量的铀-234（0.005%）。其中一定丰度的铀-235是在反应堆中维持链式反应所必需的，因此需要通过气体离心机的级联，将天然铀中丰度为0.72%的铀-235，逐步浓缩到3%~5%，我们称之为低浓铀。这个过程中铀是以气态的六氟化铀的形式存在的，六氟化铀在常温常压下呈固态粉末，因此铀浓缩的过程是在远低于一个标准大气压的工况下进行的。

烈火焚烧若等闲——燃料元件的烧结：铀浓缩级联得到的低浓铀，经过转化得到二氧化铀粉末，随后被制成小颗粒，经过高温烧结，形成直径1厘米，厚1厘米的柱形陶瓷颗粒，即所谓燃料芯块。

烈火焚烧若等闲——燃料元件的烧结（续I）：铀浓缩级联得到的低浓铀，经过转化得到二氧化铀粉末，随后被制成小颗粒，经过高温烧结，形成直径1厘米，厚1厘米的柱形陶瓷颗粒，即所谓燃料芯块。

烈火焚烧若等闲——燃料元件的烧结（续II）：这些燃料芯块需要堆叠在耐腐蚀的锆合金管中，加上必要的附件，封装成一根燃料棒，数百根燃料棒整齐排列（通常按照15×15或17×17的形式排列），安装在固定的框架内，就得到了一捆燃料组件，一个反应堆堆芯内，按照设计参数，排布有100多捆（比如大亚湾核电站的压水式反应堆，堆芯内有157捆燃料组件）这样的燃料组件。其中核燃料芯块和锆合金包壳，即分别构成反应堆安全中的第一道和第二道屏障。

莫愁前路无知己——区分核燃料与核武器：核燃料循环学科中，涉及的是天然铀（铀-235丰度为0.72%），以及用以维持反应堆中链式反应的低浓铀（铀-235丰度为3%~5%），而核弹中则是铀-235丰度在99%以上的武器级高浓铀，二者有本质上的差别，不可混为一谈。在核燃料制备的过程中产生的废料，以及反应堆堆芯裂变后产生的乏燃料，国际原子能机构（IAEA）对其处理和处置有严格的规定，并建立了有效的监管机制。