提起天然鈾，大家都知曉它具有一定放射性。但對于它的放射程度以及在人類生產活動中的應用了解并不全面。其實，自然界中無處不存在放射性物質，只是放射性強度不同而已。研究表明，一個人在衣兜里揣著重約0.5千克的鈾礦石，每天所承受的輻射量與戴著一塊夜光手表差不多。過去，鈾還被用作調色劑來制造好看的玻璃和陶器彩釉。現在，就讓我們一起探索一下天然鈾的奧秘。
鈾在自然界存在3種同位素：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變的U235。據理論測算，1千克U235衰變釋放的能量相當于用42節火車車廂運載煤所產生的能量，是能量密度巨大的一種物質。天然鈾衰變主要對外釋放α射線，并不是危險的γ射線，這種射線是氦原子的質子核，僅需一張A4紙就可以擋住，而人的衣服和皮膚完全可以隔絕α射線，不會對人體內部組織造成影響。
天然鈾是國家戰略性資源，作為“核電的糧食”，對于核電燃料保障及核工業發展具有十分重要的作用。1991年，我國第一座自行設計、建造和運營管理的30萬千瓦壓水堆核電站——秦山核電站并網發電，標志著我國核能走向和平利用。經過這些年的發展，我國已經具備百萬千瓦級壓水堆核電機組自主設計、建造、運行、管理能力和相應的研發體系。核能發電本身不產生環境污染物，是“零排放”電源，有助于大氣污染物防治和溫室氣體減排。一座百萬級千瓦核電站發電一年需消耗天然鈾約200噸，與燃煤發電相比，相當于減少燃燒標準煤300萬噸，向大氣中減排二氧化碳600萬噸、二氧化硫2.5萬噸、氮氧化物1.5萬噸。
那么，天然鈾是怎樣被核能發電所利用的呢？天然鈾不能像燃煤那樣直接作為燃料使用，需要經歷一些復雜工藝流程才能獲得核能發電最終所需要的核燃料。
首先，水冶廠將開采出的鈾礦加工和精制成“黃餅”(主要成分是重鈾酸銨)，緊接著便是鈾礦的純化轉化——水冶廠精制的“黃餅”被進一步提純，并加工成鈾氟化物。因為大多數核電站使用U235含量為2%至5%的低富集鈾作為核燃料，而上一步天然鈾產品中的U235含量相對較低，需要進一步通過同位素分離技術將U235和U238分開，以提高U235的相對含量。它的工作原理類似洗衣機脫水原理，利用離心機通過離心旋轉，將質量相對較輕的U235分離。U235達到富集要求后，就可以制作核能發電的最終產品——燃料元件。隨后將燃料元件送入反應堆堆芯中，用外來中子轟擊其中的U235原子核，使其發生裂變，分裂成兩個原子核(分別為氪和鋇的原子核)，并釋放出2個(偶爾3個)新的中子，同時釋放大量能量；核裂變過程中產生的新中子，還可以被其他U235原子核俘獲使核反應像鏈條一樣一直持續下去，形成鏈式反應，從而源源不斷地釋放能量。在核電站運行過程中，可以通過升降堆芯中的控制棒來控制反應堆的啟停，維持核反應堆穩定運行。
燃料元件在核電站中運行一段時間后(壓水堆約為12至18個月)，由于不能再維持鏈式反應就可以“光榮退休”了。此時，它被稱為乏燃料，其中包括少量未經裂變的U235、大量難以裂變的U238、新生成的裂變材料Pu239及镎、镅等核素。乏燃料其實是非常珍貴的材料，屬于“未被利用的資源”。從反應堆卸出的乏燃料通常會先儲存在核電反應堆乏燃料水池中，需要冷卻貯存5年甚至更長時間。之后，可送往后處理廠開展進一步處理——回收鈾和钚資源，制成鈾钚氧化物混合燃料，可用于壓水堆核電站和快堆核電站，同時還可獲得錒系元素和其他有用的放射性同位素。乏燃料后處理產生的低中放廢物，被送往低中放廢物處置場處置；產生的高放廢物經玻璃固化后將被送往有穩定地質構造人工建造的深地質處置庫中處置；基于標準規范建設的廢物處置庫可以使放射性廢物與人類的生存環境永久隔離。
(作者單位：中國核科技信息與經濟研究院)
