从乏燃料中提取铀和钚

2017/9/12 14:34:02

1．乏燃料不是“核废料”
从反应堆中卸出的辐照过的燃料，称为“乏燃料”。现在全世界有约440座反应堆在运行发电，每年卸出的乏燃料约1万吨。乏燃料中含有许多有用的物质，如未用完的铀-235（它比天然铀中的铀-235浓度还高），新生的钚和裂变产物，还有大量的铀-238（约占95%）和少量次锕系元素（也称超铀元素，如镎-237、镅-241、锔-242）。在裂变产物中，如锶-90、铯-137、锝-99、钷-147、贵金属（钌、铑、钯）等，都是可利用的同位素。
（压水堆）乏燃料中所含核素
铀
钚
约1%
次锕系元素（MA）
裂变产物（FP）
铀-235
铀-238
镎、镅、锔
锶-90、铯-137、锝-99、钷-147、贵金属等
约0.9%
约95%
约0.1%
约3%
 
2．后处理可把铀、钚分离出来再利用
乏燃料从反应堆中卸出来之后，在水池中经过适当时间的冷却，吊运到冷却水池中进行贮存。冷却贮存后，送去化工厂进行化学处理。除去裂变产物，回收、纯化铀和钚，该工艺过程称为“后处理”。
乏燃料进行后处理，首先要切割燃料元件，把燃料芯体从包壳中取出来，将芯体溶解（对于生产堆乏燃料的铝包壳不用做剥离，一起进行溶解）。然后，用有机溶剂萃取分离掉强放射性的裂变产物，分离出铀和钚。再分别纯化铀和钚，这就是现在普遍采用的普雷克期（Purex）流程水法后处理的工艺。
为简化工艺流程和减少放射性废物的数量，人们正在研究先进的一体流程和高温化学干法后处理技术。
3．闭路循环和“一次通过”式
后处理回收的铀和钚，可以分别用来制造铀燃料和钚燃料，或者制造铀钚混合氧化物燃料，返回到反应堆中去再利用，这就是闭路循环。做成混合氧化物燃料可使铀资源利用率有较大提高。若用到快堆中去“燃烧”，可使铀资源利用率提高60倍。闭路循环有充分利用铀资源和减少要做深地质处置的高放废物等重要优点。
但是，对于不值得做后处理的乏燃料，如重水堆用天然铀做燃料，它的乏燃料中铀-235的含量已很低，不值得进行后处理；对于难以进行后处理的乏燃料，如高温气冷堆的乏燃料，不适宜作后处理。对于这些乏燃料，只能等待充分冷却之后，经过适当包装，进行直接深地质处置，这就是所谓“开路”路线，也称为“一次通过”。
后处理闭路循环路线被法国、英国、俄罗斯、日本、印度等国家所采纳，我国也采取这种后处理路线。美国、加拿大、瑞典、芬兰、西班牙等国，现在宣布走开路路线。世界上多数有核电的国家，还是采取“等着瞧”的态度。目前，后处理已有成熟的工业技术，“一次通过”直接处置乏燃料，还没有可以应用的技术。
除了铀燃料外，钍矿中提取的钍-232，经过中子辐照可以转化成铀-233。铀-233也是易裂变核素，可以用做核燃料。但是，目前世界上只有印度开发利用钍燃料。