核燃料MOX

核燃料MOX是混合氧化物燃料的簡寫，目前用得最多的是UO2和PUO2構成的氧化鈾鈽燃料。它包含多個可增殖的可衰變氧化物，特別是PuO2（氧化鈽）與UO2（氧化鈾）的混合燃料（UO2來源廣泛，包括天然的、經過再加工的，以及核廢料當中的）。鈽是一種自然界不存在的人造放射性同位素，鈾燃料在反應堆中燃耗時會產生鈽。在核燃料循環中，如何有效合理地利用鈽，一直是原子能和平利用的重要任務。最初利用鈾的鏈式反應生產鈽是為了軍事目的，即生產核武器。但隨著高富集鈾生產技術的發展以及鈽量的增加，鈽除用於製備核武器外，還可以製成核燃料，用作和平目的，其中最有效的利用就是鈽鈾混合氧化物燃料，即MOX燃料。MOX可以利用乏燃料中的鈽。一般情況下，乏燃料中鈽的含量為1%，其中2/3的物質具有放射性，鈽239占50%，鈽241占15%，

基本介紹

• 中文名：核燃料MOX
• 首次使用：1963年
• 構成：UO2和PUO2
• 普遍利用：20世紀80年代

增殖反應

福島核電站3號機組使用的核燃料是鈾鈽混合氧化物（MOX），核電站發電使用後的燃料叫乏燃料，乏燃料中含有未被用盡的鈾和產生的鈽，MOX燃料就是通過把乏燃料中含有的鈾和鈽經過處理後提取出來做成的，這種做法可以大大提高天然鈾資源的利用率，從而提高核電站的經濟效益。最初利用鈾的鏈式反應生產鈽是為了軍事目的，即生產核武器。但隨著高富集鈾生產技術的發展以及鈽量的增加，鈽除用於製備核武器外，還可以製成核燃料，用作和平目的，其中最有效的利用就是鈽鈾混合氧化物燃料，即MOX燃料。每年全世界大約有70噸可用來生產MOX燃料的鈽被當作核廢料傾倒，其中2/3的物質具有放射性。快堆中常用的核燃料是鈽239，而鈽239發生裂變時放出來的快中子會被裝在反應區周圍的鈾238吸收，又變成鈽239。這就是說，在堆中一邊消耗鈽239，又一邊使鈾238轉變成新的鈽239，而且新生的鈽239比消耗掉的還多，從而使堆中核燃料變多，實現增殖。

目前，各國發展的主要是用MOX作燃料，用液態鈉作冷卻劑的快中子增殖堆，它的倍增時間是30多年。也就是說，只要添加鈾238，每過30多年，快堆核電站就可翻一番。理論上快堆可以將鈾238、鈾235及鈽239全部加以利用，並將鈾的利用率提高到60%-70%，比熱堆中的壓水堆高140倍，比重水堆高70倍以上。20世紀60年代，比利時、法國、美國、義大利、德國、日本和印度等國紛紛建立實驗室，開發供增殖快堆使用的MOX燃料，1970-1985年國際上形成了快堆MOX燃料的研究高潮。支持MOX燃料快堆的科學家認為，自然界中存在的易裂變鈾235的量很少，僅占鈾總量的0.7%左右，依照目前全世界核電廠的發展速度，鈾235用完是遲早的事，因此必須在這之前找到鈾235的替代燃料。快堆因為能利用另外99%的鈾238，大大增加了核燃料的量。而反對的一方則認為，發展MOX燃料快堆首先增加了核擴散的風險，因為它涉及了從乏燃料中提取鈽239的技術，這樣的技術恰恰可以用來製造核武器，因此美國和歐盟的一些國家對這項技術十分敏感。其次，快堆的經濟性一直沒有得到證實。從目前來看，從乏燃料中提取鈽239所花費的錢要比它生產能源所掙的錢更多，因此從經濟上來說是不划算的。雖然自然界中鈾235的含量很少，但現在我們開採的大多是高品位富鈾礦中的鈾235，而低含量低品位的鈾礦則很少開採。到富鈾礦中的鈾235用完之時，開採低品位鈾礦的技術應該已經發展成熟，所以屆時還輪不上鈽239展身手。而當低品位鈾再被用完之時，那時的世界早已是另一番景象，核能已被更高科技的能源技術所取代。

MOX是通過“燃燒”反應堆乏燃料中存留的鈽以提供能源和發電的一種途徑。MOX提供了當前使用的新燃料的20%，並且這一比例仍在不斷上升。MOX還提供了一種燃燒武器級鈽以生產電力的方法。

在每一座反應堆內，都有諸如鈾-235等同位素的裂變，和由於主要是鈾-238俘獲中子而形成新的較重的同位素。反應堆內絕大部分燃料物質是鈾-238。它能形成鈽-239，並通過連續的中子俘獲形成鈽-240、鈽-241和鈽-242，以及其它的超鈾或錒系同位素。（鈾-235通過類似過程還形成了非常少量的鈽-236和鈽-238。）

通常，隨著燃料每3年變換一次，絕大部分鈽-239都在反應堆內得到“燃燒”。其行為與鈾-235相似，裂變也釋放出同等的能量。燃耗度越高，乏燃料中存留的鈽就越少，但通常反應堆卸出的乏燃料中存留有約1%的鈽，其中的2/3就是鈽-239。全世界每年產生近100噸存留於乏燃料中的鈽。

鈽的再循環使從最初的鈾得到的能源增加約17%，如果對鈾也進行再循環，這一數字將達到約30%。

燃料再循環

第一步是將鈽與存留的鈾（約占乏燃料的96%）和裂變產物以及其他廢物（共占約3%）分離。這一工作在後處理工廠進行。

鈽，作為氧化物，隨後和濃縮工廠留下的貧化鈾混合形成新的混合氧化物燃料（MOX，UO2+PuO2）。MOX燃料，由貧化鈾和約占7%的鈽混合而成，假定這些鈽中鈽-239約占65%，這種MOX燃料就相當於鈾-235濃度約4.5%的鈾氧化物燃料。如果使用武器拆卸得到的鈽（鈽-239超過90%），這種混合結構中僅需要約5%的鈽。

乏燃料後處理得到的鈽通常儘可能快地用於製造MOX，以避免短壽期的鈽同位素的衰變。特別是鈽-241向強γ輻射源鎇-241的衰變，在分離出5年後的鈽由於常規MOX工廠時將增大潛在的職業健康危害。貯存的鈽中鎇-241的水平以每年0.5%的速度增長。鈽-239、鈽-240和鈽-242都是長壽期，因此在長期貯存中變化很校鈽-238是強α輻射源和自生中子源，所以在高燃耗燃料中變得非常重要。

快中子反應堆允許鈽不受限制的再循環，而熱中子反應堆由於所有的同位素都是可裂變的，同位素降級限制了鈽循環的潛力。

從後處理工廠得到的再循環鈾被單獨再提濃，作為新燃料使用。由於其中含有部分吸收中子的鈾-234和鈾-236，其濃縮水平稍稍高於開採出的提供相當燃料的鈾。

MOX使用

MOX首次用於熱中子堆是在1963年，但直到20世紀80年代才得到普遍利用。

今天，MOX在歐洲得到了廣泛地利用，並且日本已經計畫進行利用。歐洲有30座反應堆裝載了MOX燃料，還有20座已經得到使用許可證或正在許可證審批程式中。大部分反應堆用1/3的堆芯裝載MOX，而有些反應堆將接收高達50%的MOX組件。法國的目標是其所有的900Mwe系列反應堆使用至少1/3的MOX組件運行。日本的目標是到2010年有1/3的反應堆使用MOX，並已批准新建1座完全裝載MOX燃料的反應堆。

MOX的利用並不改變反應堆的運行特性，雖然電站必須設計或稍做改動以使用MOX。需要更多的控制棒。對於50%以上的MOX裝載，需要進行重大改變，並且反應堆需要進行相應的設計。

MOX的優勢之一是通過增加一點鈽就能夠輕鬆地提高燃料中易裂變物質濃度，而將鈾濃縮至高水平的鈾-235則相對昂貴。鑒於反應堆運營者們尋求的是燃料的更深度和更長期的燃燒，將幾年前的每噸約3萬MW·日的燃耗提高到現在的每噸5萬MW·日以上，MOX的利用就變得更加有吸引力。

鑒於鈾價格的低廉，後處理分離鈽製造MOX進行再循環本身並不經濟，但算上減少了要進行管理的乏燃料的體積，就變得十分便宜了。7個UO2燃料組件生成1個MOX組件和一些玻璃固化高放廢物，其結果是只占乏燃料處置的體積、數量和費用的35%。

MOX生產

目前有3座工廠生產商業性MOX燃料。法國有2座，比利時有1座，正在調試的第4座（120噸/年）位於英國。

一個跨國財團正在俄羅斯建造1座MOX工廠，專門利用武器級鈽（2噸/年），並已建議在美國建造1座同類工廠。這些工廠將使脫離軍事用途的鈽由於在反應堆內“燃燒”而被永久性地銷毀。

有幾個國家在快中子反應堆內也使用MOX，特別是法國和俄羅斯。這是第一次被開發用於此目的，美國、英國、法國、德國、比利時和日本正在進行試驗工作。

目前後處理工廠的產出超過了鈽在MOX中的使用速度，結果是有幾個國家擁有鈽庫存。預計這些庫存在2005年隨著MOX使用的增加而下降之前將達到近200噸。到2010年，預計用於MOX的鈽的生產和使用總體上將會更多，除非MOX燃料本身也進行後處理。

燃料供應

2008年4月底，法國阿海琺集團（Areva）與日本關西電力公司（Kansai）簽署契約，為高浜（Takahama）核電站供應混合氧化物（MOX）燃料。

根據契約，Areva將為高浜核電站3、4號機組提供16組MOX燃料組件。同時，關西電力選擇日本原子燃料工業株式會社（NFI）作為該項契約的參與方。近期，Areva與日本電力企業連續簽署了幾項協定與契約，總價約20億歐元（32億美元）。

Areva在阿格（LaHague）後處理廠對關西電力的筏燃料進行後處理回收得到鈽，然後在Melox設施進行再循環，之後以MOX燃料的形式運回關西電力。Areva表示，這項契約是日本再循環計畫的繼續。2006年，Areva已與中部電力（Chubu）、九州電力（Kyushu）、四國電力（Shikoku）等3家日本電力公司簽署MOX燃料供應協定。

日本電氣事業聯合會（FEPC）此前表示，根據“鈽熱”計畫，日本全部9家電力公司將從2010年開始在16~18座反應堆中使用MOX燃料。預計每年將有6噸左右的裂變鈽裝入發電反應堆中。同時，利用日本乏燃料送往歐洲進行後處理分離出的約40噸反應堆級鈽製造的MOX燃料也可能得到套用。不過，由於日本相關地方對MOX燃料利用的擔憂延緩了1994年鈽熱計畫的實施。

MOX由鈾氧化物和鈽氧化物混合構成，是從乏燃料中回收得到。比利時、法國、德國、瑞士由超過30座發電反應堆在使用MOX燃料，通常MOX燃料占全堆芯燃料的1/3。部分機組可以使用50%比例的MOX燃料，還有的先進設計能夠實現100%的MOX燃料堆芯。2008年4月23日獲準開工的日本大間核電站就是採用了全MOX燃料堆芯設計。

主要爭議

快堆是實現核燃料增值、提高鈾資源利用率、減少長壽命核素的最重要途徑。20世紀60年代，比利時、法國、美國、義大利、德國、日本和印度等國紛紛建立實驗室，開發供增殖快堆使用的MOX燃料。1970-1985年國際上形成了快堆MOX燃料的研究高潮。截至80年代末，大多數建成的快中子堆（包括實驗、原型和難證堆）都成功地使用了MOX燃料。目前，全世界有20多個快中子堆裝載了MOX燃料。

在MOX燃料廠的建設方面，截至2008年，國際上共建造了24座MOX燃料廠，生產能力為每年213噸，其中LWR-MOX燃料廠（輕水堆-MOX燃料廠）的FBR-MOX燃料廠（快堆-MOX燃料廠）各占一半。到2012年，預計世界上主要的LWR-MOX燃料生產國法國、日本、英國的年生產能力將達195噸、130噸以及40噸。

支持MOX燃料快堆的科學家認為，自然界中存在的易裂變鈾235的量很少，僅占鈾總量的0.7%左右，依照目前全世界核電廠的發展速度，鈾235用完是遲早的事，因此必須在這之前找到鈾235的替代燃料。快堆因為能利用另外99%的鈾238，大大增加了核燃料的量。因此，這一思路得到一些學者的支持。

而反對的一方則認為，發展MOX燃料快堆首先增加了核擴散的風險，因為它涉及了從乏燃料中提取鈽239的技術，這樣的技術恰恰可以用來製造核武器，因此美國和歐盟的一些國家對這項技術十分敏感。其次，快堆的經濟性一直沒有得到證實。從目前來看，從乏燃料中提取鈽239所花費的錢要比它生產能源所掙的錢更多，因此從經濟上來說是不划算的。雖然自然界中鈾235的含量很少，但現在我們開採的大多是高品位富鈾礦中的鈾235，而低含量低品位的鈾礦則很少開採。到富鈾礦中的鈾235用完之時，開採低品位鈾礦的技術應該已經發展成熟，所以屆時還輪不上鈽239展身手。而當低品位鈾再被用完之時，那時的世界早已是另一番景象，核能已被更高科技的能源技術所取代，鈽也許就永無出頭之日了。

核彈謠言

在這次福島核危機期間的另外一個謠言就是，日本核電站使用MOX核燃料，為日後的核武生產儲備鈽。但實際上核燃料MOX的主要作用是建立核燃料循環利用，節省寶貴的天然鈾資源；次要作用是防止鈽的擴散，與謠言的觀點“為核武生產儲備鈽”恰恰相反！

鈽240對核武製造的影響

鈽240對核武製造的影響

首先需要了解鈽核子彈的製備流程。眾所周知，二戰末期，美國在日本的廣島和長崎投下了兩顆核子彈，其中在長崎投下名為“胖子”的核子彈是一顆鈽彈，其裂變物質為鈽239，而鈾核子彈的裂變物質是鈾235。很多人亦清楚，天然鈾存在鈾235、鈾238等鈾的同位素，其中只有鈾235容易裂變，所以要將天然鈾中的鈾235提純至90%以上才可以製成實用化的核子彈。而鈽在自然界是不存在的，由鈾235和鈾238在反應堆中生成，鈽同樣存在鈽238、鈽239、鈽240、鈽242等多種同位素，但現在幾乎沒有任何一份中文科普資料說明過這些鈽同位素對製造鈽核子彈的影響。

根據國際原子能（IEAE）的資料，製造核子彈所關心的問題是，鈽238、鈽240比起鈽239具有很高的自發衰變中子數、衰變熱和強輻射。高自發衰變中子數可以導致鏈式反應提前點火，高衰變熱和強輻射會使得核子彈的製造加工和保存變得非常複雜。鈽240還存在核爆炸臨界質量高的問題。簡而言之，如果鈽238、鈽240含量過高，就會在殺死敵人之前，強輻射先殺傷己方的製造工人和士兵，難以控制自衰變熱和高自發衰變中子數甚至會導致在己方倉庫里爆炸，根本不是一顆實用化的核子彈。

日本目前儲存的鈽不適合用於核武製造

日本目前儲存的鈽不適合用於核武製造

那么可製成實用化核子彈的鈽是怎么製造出來的呢？現在的方法主要是採用重水反應堆（HWR），即採用重水作為中子慢化劑的反應堆。與普通水（稱為輕水）相比，重水可以降低中子速度，並且不吸收中子。這種特徵更容易觸發鈾235的裂變，並且使生成的鈽中更多的是鈽239。

而日本商用核電站所採用的都是輕水反應堆（LWR，包括沸水堆BWR和壓水堆PWR）。輕水堆使用過的核燃料棒（乏燃料棒）中的鈽，一般而言，鈽240的含量為18~30%，並不適合用於製造核子彈。當然，日本人可以將核燃料棒短時間使用後即從反應堆中卸出，這樣可以得到等級稍高的鈽。但日本的核設施都在IEAE的監管之下，而IEAE從來沒有作出過日本非常規使用核燃料棒、或擁有秘密核設施的報告。

所以，日本現儲存的大量經分離和未分離的鈽是不適合用於核武製造的。不僅僅是現在出現的網路謠言，在過去的中文出版物中，也有不少在這個問題上誤導了公眾。

MOX燃料主要作用是充分利用核資源

MOX燃料主要作用是充分利用核資源

前面已經數次提到了MOX燃料，其中文譯名為“鈾鈽混合陶瓷燃料元件”。MOX燃料中的鈾和鈽來源於商用反應堆的低濃鈾乏燃料棒（乏燃料棒是指使用過的燃料棒）。低濃鈾乏燃料棒在使用過後，元件中一般有約3%的有害物質，通過分離，將其中97%的鈾鈽分離回收，可以再製成供商用輕水反應堆使用的MOX燃料。

在人類社會對電力需求不斷擴大的今天，MOX燃料的好處是非常明顯的。因為世界範圍內已探明的天然鈾資源是有限的，此前的測算結果是不足人類使用100年。所以核工業界早就開始尋求對核燃料的循環使用，因為乏燃料棒中的鈾235燃燒得並不充分，通過對乏燃料棒的處理可以將未燃燒的鈾235提取出來再次使用。而乏燃料棒中還存在鈽239，製備MOX燃料就是將這部分鈽239也充分利用起來。

核電比例最高的法國率先推廣MOX燃料，其第一家MOX燃料工廠在1961年就投入運行。目前在法國、英國和比利時共有4家MOX燃料工廠，年產量超過188噸。日本的MOX燃料就分別來源於英國MDF廠和法國MELOX廠，與此同時也在籌建MOX燃料工廠，預計2015年建成。現在MOX燃料的推廣受到製造成本影響，但隨著天然鈾的逐漸稀缺，MOX燃料的份額有望進一步提升。

MOX燃料可以防止鈽擴散

MOX燃料可以防止鈽擴散

MOX燃料帶來的好處不僅限於充分利用核燃料。從反應堆卸出的乏燃料棒一直是核工業界和國際原子能機構頭疼的問題，因為乏燃料棒含有大量放射性物質，之前需要處理後深埋。而MOX燃料出現後，大量乏燃料棒可用於製作MOX燃料，能夠大大減小廢物體積，可以降低處理成本、更好地保護環境。而更讓國際原子能機構高興的是，乏燃料棒製成MOX燃料，再次進入反應堆燃燒後，其中所含的鈽已沒任何製成核子彈的可能，可以大大節省監控成本。

另外，MOX燃料為處理退役核彈也提供了唯一出路。美俄兩國在1991年和1993年分別簽署兩次核裁軍協定，拆毀了數以千計的核武器，兩國共得到100噸武器級鈽。這些武器級鈽如果全部儲存起來，會為日後帶來核擴散風險，可能落入恐怖分子手中。而將這些武器級鈽，混入從乏燃料棒提取的鈾鈽中，製成MOX燃料，經過反應堆使用後，就會消除其軍用風險。所以在1997年，美國宣布與法國、英國、比利時合作，在15年內將50噸武器級鈽製成MOX燃料。

所以，MOX燃料不僅不會成為製造核武的渠道，而恰恰是銷毀武器級鈽的最佳途徑。當然，MOX燃料的高自衰變熱確實對福島第一核電站3號堆的搶救造成了困難，但這已經是核電站運行的安全問題了，與核武器無關。