燃料棒(知识核燃料棒的制造过程)

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以最常见的压水堆核电站为例燃料棒，核燃料采用的铀是低浓缩铀，其中含裂变材料铀-235的含量为3%（称为富集度，天然铀的铀-235富集度为0.714%）。核燃料的形式为由铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷芯块。瓷芯块为直径1厘米，高度1厘米的圆柱体。几百个芯块叠在一起装入直径1厘米，长度约4米，厚度为1毫米左右的细长锆合金材料套管内，因为核裂变反应就像是在燃烧原子，因此称为燃料棒。



铀矿石是具有放射性的危险矿物。它们除了可以提取铀用于核工业外，还可以从中提取到镭和其他稀土元素。铀，是一种极为稀有的放射性金属元素，在地壳中的平均含量仅为百万分之二，其形成可工业利用矿床的几率比其他金属元素要小得多。铀矿是矿石家族中的“玫瑰花”，色彩绚丽，却具放射性。



水冶厂出来的铀矿粉，因为矿石成分不同，采取的工艺也有差别，黄饼是通行的称呼。现货价格大概是40美元每磅，但重铀酸铵或者三碳酸铀酰铵（钠）等也是常见产品；其中杂质也和矿石、工艺有关，除杂比较好的可以称为核能纯产品。这个就是黄饼，比较干燥燃料棒，131潮湿一些，类似鸡蛋黄。



上图是装矿粉的的铁桶，相信桶的材料不是一般的。



这个是装黄饼的桶，可以看看工作人员有什么特别防护没有。其实根本不用防护服的，不要以为核燃料就有很强放射性。作为核燃料的二氧化铀会发生自身裂变和阿拉法衰变两种天然核衰变（通俗的理解，就是产生电离核辐射），但是这两个核素的半衰期都长达亿年以上，所以它们天然裂变和阿拉法衰变的活度都很低，打个比方，就像一瓶农药，你一口吃下去，肯定会毒死人，但是让你分成几亿份，每天吃一份，这个量就几乎可以忽略不计，比你每天正常饮食吃下去的有毒物质都少得多的多。所以新的二氧化铀燃料的放射性很低，跟环境辐射相比基本可以忽略不计。
但是如果是乏燃料（在核电厂已经使用过的燃料），燃料中包含很多不稳定的裂变产物Cs-137、Sr-90等等，它们会在短时间内发生贝塔衰变和伽马衰变才能转换成稳定核素，所以，用过的核燃料棒才是真正危险的核辐射源。
这也就是为什么广岛长崎给核轰炸了（但是辐射很低，短短几年后就基本不影响健康）而福岛核电站泄露了很少的乏燃料，其危害却将长期持续的原因。



纯化后的铀化合物，经过几个步骤，逐步转化成六氟化铀，以便于利用气体离心机进行分离浓缩（六氟化铀加热后就成为气态，冷却后就是结晶，这个是个非常好的特性）。



分离浓缩想必大家都清楚，就是通过气体离心机的级联，将天然铀中丰度0.7%左右的铀235，逐步浓缩到4.5%左右；这个过程是以六氟化铀形势存在的，浓缩后的低浓缩铀丰度4.5%左右，而分离后的尾料就是贫料（贫铀），其中含有0.2--0.3%的铀235。



低浓缩铀，必须再次经过转化，变成氧化铀，然后制胚、烧结成氧化铀陶瓷，也就是所谓的核燃料（芯块）了；氧化铀陶瓷具有非常好的强度和热工性能。



制配工序



烧结工序



加工完成的燃料棒芯块

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