走近天然铀

2019年08月02日08:49  来源:中国经济网
 

  提起天然铀,大家都知晓它具有一定放射性。但对于它的放射程度以及在人类生产活动中的应用了解并不全面。其实,自然界中无处不存在放射性物质,只是放射性强度不同而已。研究表明,一个人在衣兜里揣着重约0.5千克的铀矿石,每天所承受的辐射量与戴着一块夜光手表差不多。过去,铀还被用作调色剂来制造好看的玻璃和陶器彩釉。现在,就让我们一起探索一下天然铀的奥秘。

  铀在自然界存在3种同位素:U238、U235、U234,其中U238的含量大于99.2%,U235的含量只有0.72%,U234的含量不足0.1%,目前被核能利用的主要是易于衰变的U235。据理论测算,1千克U235衰变释放的能量相当于用42节火车车厢运载煤所产生的能量,是能量密度巨大的一种物质。天然铀衰变主要对外释放α射线,并不是危险的γ射线,这种射线是氦原子的质子核,仅需一张A4纸就可以挡住,而人的衣服和皮肤完全可以隔绝α射线,不会对人体内部组织造成影响。

  天然铀是国家战略性资源,作为“核电的粮食”,对于核电燃料保障及核工业发展具有十分重要的作用。1991年,我国第一座自行设计、建造和运营管理的30万千瓦压水堆核电站——秦山核电站并网发电,标志着我国核能走向和平利用。经过这些年的发展,我国已经具备百万千瓦级压水堆核电机组自主设计、建造、运行、管理能力和相应的研发体系。核能发电本身不产生环境污染物,是“零排放”电源,有助于大气污染物防治和温室气体减排。一座百万级千瓦核电站发电一年需消耗天然铀约200吨,与燃煤发电相比,相当于减少燃烧标准煤300万吨,向大气中减排二氧化碳600万吨、二氧化硫2.5万吨、氮氧化物1.5万吨。

  那么,天然铀是怎样被核能发电所利用的呢?天然铀不能像燃煤那样直接作为燃料使用,需要经历一些复杂工艺流程才能获得核能发电最终所需要的核燃料。

  首先,水冶厂将开采出的铀矿加工和精制成“黄饼”(主要成分是重铀酸铵),紧接着便是铀矿的纯化转化——水冶厂精制的“黄饼”被进一步提纯,并加工成铀氟化物。因为大多数核电站使用U235含量为2%至5%的低富集铀作为核燃料,而上一步天然铀产品中的U235含量相对较低,需要进一步通过同位素分离技术将U235和U238分开,以提高U235的相对含量。它的工作原理类似洗衣机脱水原理,利用离心机通过离心旋转,将质量相对较轻的U235分离。U235达到富集要求后,就可以制作核能发电的最终产品——燃料元件。随后将燃料元件送入反应堆堆芯中,用外来中子轰击其中的U235原子核,使其发生裂变,分裂成两个原子核(分别为氪和钡的原子核),并释放出2个(偶尔3个)新的中子,同时释放大量能量;核裂变过程中产生的新中子,还可以被其他U235原子核俘获使核反应像链条一样一直持续下去,形成链式反应,从而源源不断地释放能量。在核电站运行过程中,可以通过升降堆芯中的控制棒来控制反应堆的启停,维持核反应堆稳定运行。

  燃料元件在核电站中运行一段时间后(压水堆约为12至18个月),由于不能再维持链式反应就可以“光荣退休”了。此时,它被称为乏燃料,其中包括少量未经裂变的U235、大量难以裂变的U238、新生成的裂变材料Pu239及镎、镅等核素。乏燃料其实是非常珍贵的材料,属于“未被利用的资源”。从反应堆卸出的乏燃料通常会先储存在核电反应堆乏燃料水池中,需要冷却贮存5年甚至更长时间。之后,可送往后处理厂开展进一步处理——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,同时还可获得锕系元素和其他有用的放射性同位素。乏燃料后处理产生的低中放废物,被送往低中放废物处置场处置;产生的高放废物经玻璃固化后将被送往有稳定地质构造人工建造的深地质处置库中处置;基于标准规范建设的废物处置库可以使放射性废物与人类的生存环境永久隔离。

  (作者单位:中国核科技信息与经济研究院)

(责编:杜燕飞、王静)