核燃料循环位于核电产业链上游
思瀚产业研究院    2024-08-04

核燃料循环是核工业体系基础

核电产业链包括从上游核燃料供应到中游核设备生产制造，最后到下游核电建造及运营等。从盈利水平角度来看，核燃料产业链、核岛主设备制造以及核电站运营的毛利率较高，相关企业将收获相对更多核电行业高景气的红利。

核燃料循环是核工业体系中的重要组成部分之一。核燃料循环分为前端与后端两部分，循环的前端包括铀矿开采、矿石加工（选矿、浸出、沉淀等多种工序）、铀的提取、精制、转换、浓缩、元件制造等步骤；后端包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚分离的后处理以及对放射性废物处理、贮存和处置。

前端包含了从矿物开采到核能燃料发电全过程，是整个核能工业的基础和起点，对核工业体系运行影响显著。

流程分析：铀矿分析重中之重

核裂变燃料是目前主流核燃料。铀是一种化学元素，是自然界中能够发生核裂变反应的元素之一，该元素在核能领域具有重要的应用价值。核燃料分为核裂变燃料和核聚变燃料，目前核裂变技术较为成熟，核裂变燃料主要包括铀-235、钚-239 和铀233。铀-235 存在于纯天然铀中，但仅占 0.71%，需要进行铀浓缩后使用。

铀矿的开采是核燃料循环前端的关键步骤之一，其过程包括勘探、开采、矿石加工等环节。20 世纪铀矿石大多从露天矿坑或地下挖掘场直接进行开采，开采后对矿石进行粉碎和提炼，以便将铀与其他元素分离。

随着技术发展，目前主要采用原地浸出法，这种方法可直接将铀从矿床中溶解出来。截止至 2020年，全球约有 58%的铀通过原地浸出法开采。2023 年，原地浸出法采铀产量已占中国天然铀总产量 90%以上。

铀矿转化的目标是将 U3O8转换为 UF6。UF6是目前铀化合物中唯一易挥发的化合物，是气体扩散法、超离心法中分离和富集铀 235 和铀 238 最为适宜的工作介质，在原子能工业中具有非常重要的意义。制备 UF6 分干湿两种方法。湿法制备过程中采用氟气氟化四氟化铀制备 UF6 是最主流工业制备方法，且消耗氟气最少，干法制备目前仅有美国联合化学公司的麦楚波利斯工厂使用。

铀浓缩是将铀-235 的含量从天然水平（0.7%）提高至 3%~5%的过程。天然铀中的铀 235 与铀 238 化学性质基本相同，唯一不同的是质量有微弱的差别，所以对铀 235 的浓缩就是利用这一微弱质量差。

早期，铀浓缩工序采用气体扩散法，通过一系列扩散膜来实现分离，该方法经过美国实践验证可行。但气体扩散法有着分离系数小，工厂规模大，耗电量大，成本高昂等缺点。随着大部分气体扩散厂达到其设计的使用寿命,气体离心法进新工厂应用而生。相比气体扩散法，气体离心法更节能。在气体离心法进行铀浓缩工序中，由于铀-238 较重，它会在离心力作用下被推向外围，而较轻的铀-235 则保持在中心。

铀的逆转化是将 UF6气体脱氟转化为 UO2固体的过程。目前存在“干”或“湿”两种方法将 UF6 转换为 UO2。在干法中，六氟化铀气体被加热到蒸汽中，并引入两级反应容器（例如旋转窑），产生固体铀酰氟化物（UO2F2）粉末，该粉末与在蒸汽中稀释过的氢气进行反应去除氟化物，并在化学上将铀还原为纯微晶 UO2 产物。湿法包括将 UF6 注入水中，形成 UO2F2 颗粒浆。

在此混合物中添加氨或碳酸铵，颗粒浆在混合物中通过过滤、干燥和加热等步骤得到 UO2 固体粉末。

燃料组件加工是将处理好的 UO2 加工为可以进行使用的核燃料元件的过程。该流程主要分为芯块制备、燃料棒制备，组件组装三道工序。芯块制备是指通过压制将完成氟脱离工序后得到的 UO2 粉末压紧实，并采用 1750℃的高温炙烤粉末烧结形成固体芯块，最后磨削至光滑规则状态，得到可供使用芯块；燃料棒制备是指将芯块放入由耐腐蚀、抗中子吸收材料（通常为锆合金）制成的包壳管中形成燃料棒，并进行焊接以确保密封；组件组装包括将燃料棒、格架和端塞等组件组装成燃料元件并对元件的相关性能进行测试。

我国自研 CF3 系列核燃料组件示意图

资料来源：国家原子能机构，国联证券研究所

乏燃料是指在反应堆“燃烧”到一定程度后从堆中卸出的核燃料。乏燃料从反应堆内移出后仍具有放射性，同时会释放大量衰变热，需先妥善贮存，待放射性和余热降至一定程度后再进行后续操作与处理。乏燃料含有大量有用核素，经过专门处理后能变废为宝。

目前国际上对乏燃料处理有两种方法：

第一种是将乏燃料经过冷却、包装后作为废物直接处置不再循环利用；

第二种是回收有用核素再利用，仅对分离出的废料进行处置，称作闭式循环。

乏燃料含有的核素中，铀、钚可以重新制成燃料元件，另外一些元素如氪、锶、锝、铯、钷、镎、镅等在国防、宇宙能源、医疗卫生、工业和科学研究等领域具有重要作用。

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