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核燃料的轮回 你知道吗?

来源: 中电智库 发布日期:2015-08-19

      进入位于大漠深处的中核四〇四厂区,记者发现这里并没有想像中的高大上,普通的住房下面有一排排商铺,经营着网吧、饭店和超市,这里平凡的就像一个普通社区。
      该公司党委书记刘德国告诉记者,四〇四厂址在甘肃西北部的大漠戈壁,建厂初期条件非常恶劣,为了工作需要,厂区与生活区都在一起。虽然现在条件有所改变,但由于戈壁的自然气候和地理位置的因素,厂区的生活环境依然艰苦。
      厂区附近正规划建设一座80万千瓦的风电场。生活区已搬迁至嘉峪关市,员工的生活条件得到明显改善。刘德国介绍道,四〇四1958年开建,是我国核工业最早的五厂三矿之一,同时也是我国核工业建设最早、体系最完整、规模最大的核工业企业。
      离开四〇四生活区,进入生产区那一刻,记者真正感受到这座有57年历史的神秘工厂的魅力。

图为中核四〇四公司车间工作场景(厂区供图)。

见识乏燃料存放池
      在中核四〇四有限公司第三分公司,记者被一道旋转门挡在门外,带上帽子、鞋套,穿上白大褂,透过镜子的反光,记者马上把自己的样子与医院里的医生联系起来,第三公司工作人员告诉记者,第三公司的生产车间是存放“乏燃料”的基地,“乏燃料”确实存在辐射,但是将其隔离在储存设施内,能释放出的辐射很少,一层薄薄的白大褂完全可以在厂区内保证自身安全。
      四〇四公司总工程师王健解释:
      就像煤炭燃烧以后会产生煤渣,核燃料燃烧过后也会留下没有燃烧的部分,对于这部分物质,外界一般会称其为核垃圾或者核废料,这两种说法都是不准确的。
      “经过裂变反应与辐射照射产生的新的核燃料,专业上我们将其称为乏燃料。”王建表示,一组燃烧前的核燃料中,主要元素是铀,在核电站大约可燃烧5%的铀,还有95%的铀没有被燃烧,同时,经过燃烧还会产生一些其他元素,大约有1%的钚,还有4%的其他核素。“这就是我们所说的乏燃料。”
      震惊是从推开厂区大门的那一刻开始的,只能在好莱坞大片中见到的存放池如今真实地出现在记者面前,池中的水泛着碧绿的波光,从大亚湾运来的“乏燃料”安静地躺在13米深的水底。
      据工作人员介绍,池中的水为循环去离子水,因为“乏燃料”经过燃烧后,依然在进行衰变反应,会放射出一定的热量,同时其自身也有一定辐射,水既可以降温,也是很好的隔离物质。
核工业带来的辐射不到日常辐射的1%
      技术人员告诉记者,生活在自然环境中,时时刻刻都在经历着辐射,食物和饮料中的辐射占日常接受辐射的15%,土壤中的辐射15%,太空射线中的辐射15%,空气中40%,核工业带来的辐射不到日常辐射的1%。
后处理技术保障我国核电发展
      走出储存车间,工作人员指着车间另一边告诉记者,那个看起来高一点的厂房就是后处理车间,也是目前中国唯一一个动力堆乏燃料后处理中间实验厂。
      据王健介绍,目前国际上主要有两种乏燃料处理方式:
      一是以美国为代表的一次通过方式,核燃料经过在核电站反应堆中的燃烧,不进行后处理,直接选取条件适合区域进行深埋处置。王健表示,虽然美国没有进行乏燃料后处理,但是其掌握的后处理技术是世界领先的。
      另外一种就是我国目前采用的闭式循环处理方法,对乏燃料中所含的有用核燃料进行分离并回收利用,裂变产物和次锕系元素固化后进行深地质层处置或进行分离嬗变。此法可将铀资源利用率提高,减少了高放射性废物处置量并降低其放射性。
      据王健介绍,核电站的燃料铀来自自然界,经过纯化、转化与浓缩,浓缩至一定比例后,可放入核电站反应堆燃烧,燃烧后会产生乏二氧化铀燃料就是在存放池中看到的乏燃料。乏燃料并没有完全燃烧,事实上只燃烧了5%,把剩下95%有用核素提取出来就是后处理的过程。
      后处理技术说起来并不复杂,首先将燃烧过的核燃料组件放在剪切机中剪切成20~50毫米的短段,使内部包裹的乏燃料暴露,然后用硝酸溶解,形成含有铀和钚的硝酸溶液,之后进行过滤;再把过滤后的物质进行化学分离,通过30%的磷酸三丁酯溶剂与含铀、钚的硝酸溶液接触,利用磷酸三丁酯对于铀、钚与其他裂变产物萃取性能的差异,将铀、钚与其他裂变产物分离。
      而后同理利用磷酸三丁酯对六价铀与三价钚的萃取差异,实现铀钚分离,得到的铀与钚就是后处理的产品,经过新一轮的纯化提炼就可再次放入核电站反应堆燃烧发电。在处理提炼乏燃料的过程中会产生一些废物,这些废物经过处理、固化,进行深埋处置。
按照规划
      按照规划,到2020年我国核电站装机可达到5800万千瓦,也就是说在2020年之前我国还会建成3500万千瓦核电站,平均每年建成5~6台机组,每年投资额1000亿元左右,主要分布在沿海地区。
      从2010年12月21日,中核四〇四公司中试厂热调试成功,实现了我国核燃料闭式循环目标,为我国先进后处理工程技术开发提供了重要研究实验平台。
      其更重要的意义还在于,标志着我国已掌握动力堆乏燃料后处理技术,后处理的整个工艺流程全线打通,对我国核燃料产业及核电快速发展意义重大。

仍需规模化投建铀转化设施

      跟随厂区工作人员来到四〇四公司第一分公司的厂房,这里是进行铀转化的车间,第一分公司总工程师魏刚告诉记者,作为核能和平利用的支柱,核电的发展是带动铀转化产业发展的主要原因,同时天然八氧化三铀转化成六氟化铀是天然铀利用的一个重要环节。
      与第三分公司一样,进入厂区前也要穿上白大褂,戴上帽子与鞋套,唯一不同的是这里需要戴上口罩。工作人员表示,铀转化是一个化学过程,厂房中难免会有可吸入颗粒与刺激性气体,戴口罩是为了防止这些物质吸入。
      装备完毕,沿着狭长的通道走进厂房,在进入厂房的一瞬间,一阵大风从外往里刮了进来,人仿佛不是走进去的,而是被“吸”进去的。
      “风大吧。”工作人员笑着解释,这是厂房的一种安全措施,厂房在运行过程中全程保持负压,在厂房进门时,风是往里吹的,保证厂房的空气不会流向外界,厂房换气由专门的系统过滤,之后排出,排放也要达到国家标准。
      厂房内遍布着交错的管道和大大小小的密封装置,由于机器运行与化学反应的关系,温度比外界高出不少。记者发现,全机械化的厂房内几乎看不见员工操作,魏刚告诉记者,现在车间全部为电脑操控,工作人员只有在检查设备时才会进入厂房。
      “这是中国唯一一座在役的天然铀转化生产厂,天然铀转化是典型的化学转化,在这看到与其他化工厂唯一不同的只是罐子里装的是铀而已。”魏刚说。核能是一种能源,从本质上说与石油、煤炭的作用相仿,生产过程也没那么可怕,其生产的过程其实也是一种循环过程,核燃料循环是铀或其他燃料通过反应堆产生能量的一系列工业程序,通常包括铀矿采冶、铀转化、铀浓缩、核燃料元件制造、乏燃料后处理、放射性废物处理处置等。
      铀转化也是其循环过程中的一部分,目的是把天然铀、贫料铀、堆后铀等铀化物转化为六氟化铀,是目前铀的同位素分离所需要的唯一供料。
      据魏刚介绍,铀转化与其他核产业一样,起源于军工,目前广泛用于民用,从20世纪90年代开始,由于民用核电站的发展,铀转化进入规模化发展时期。
国际
      目前国际铀转化名义产能基本能维持正常条件下国际市场六氟化铀产品的供需平衡,乐观预测,2016年至2020年,国际市场每年六氟化铀需求量将增至80000吨左右,名义产能缺口虽然还在,但不明显,该部分产能缺口完全可由二次供应源弥补。
国内
      在核电发展的带动下,国内以六氟化铀为主的天然铀纯化转化产品需求量,预计在2021~2030年将有较大增幅。
      目前我国在役铀转化设施实际生产能力不能满足需求,在建铀转化项目要形成一定产能,尚需一定时间。国内在役铀纯化转化设施实际生产能力为每年5000吨,在建铀转化设施产能在每年9000吨左右。根据目前核电发展速度来看,2015~2017年之间,国内六氟化铀供需将处于失衡状态。2017年以后,目前在役、在建铀转化设施同时运行,基本可以维持供需平衡。长远来看,依然需要规模化投建铀转化设施,满足我国核工业发展需要。

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