反應堆燃料不是一次耗盡的，必須定期地將它從堆內卸出、處理（稱為後處理）、再富集、再製成燃料元（組）件、裝入堆內循環使用。鈾-235是核電站的主要燃料，鈾的再循環及使用對提高核電站的產能率具有重要意義。鈾的再循環包括鈾-鈽循環和釷-鈾循環。
基本介紹
- 中文名：鈾再循環
- 外文名：Uranium recycling
- 內容：鈾-鈽循環和釷-鈾循環
- 學科：核工程與核技術
- 套用：核燃料循環
基本概念,鈾-鈽燃料循環和釷-鈾燃料循環2,
基本概念
反應堆燃料不是一次耗盡的，必須定期地將它從堆內卸出、處理（稱為後處理）、再富集、再製成燃料元（組）件、裝入堆內循環使用。鈾-235是核電站的主要燃料，鈾的再循環及使用對提高核電站的產能率具有重要意義。
燃料循環的存在是由於裝在堆內的裂變燃料必須經常保持（或大於）臨界質量，否則不可能維持鏈式反應。為了要在一定的運行周期內發出額定功率，堆內需留有超過臨界質量的裂變燃料，使反應堆活性區具有後備反應性。當燃料達到一定的燃耗深度，由於燃料的消耗，以及運行期間產生並積累起來的裂變產物的毒化效應，使後備反應性接近消失時，雖然燃料元（組）件中尚含有相當數量的裂變燃料，也得把它從堆內卸出，換人新燃料。卸出的燃料元（組）件稱為乏燃料，其中含有大量的易裂變核素和可轉換核素，包括原先裝入未燃耗的和運行周期中在堆內轉換生成的，均屬價值貴重的能量資源。需要經過後處理，將裂變產物分離出去，並回收這些易裂變核素和可轉換核素，重新製成可用的燃料元（組）件返回反應堆中復用，以構成燃料循環。燃料循環的基本結構適用於任何動力反應型。
只有增殖堆（C≥1）能實現無需外加裂變燃料、全靠投入轉換材料（U-238或Th-232）以不斷產生核能的燃料循環。其中：以Pu-239作為裂變燃料
、以U-238作為轉換原料、生成Pu-239的燃料循環，稱為鈾-鈽（U-Pu）循環；以U-233作為裂變燃料，以Th-232作為轉換原料、生成U-233的燃料循環，稱為釷－鈾（Th-U）循環。在這裡，新生成的裂變燃料同原先裝人堆內的屬同一種核素。
由於最初的Pu-239或U-233的生成，要靠U-235裂變提供的中子（見核燃料轉換），這兩種燃料循環的起動，都離不開U-235作為初始的裂變燃料。在這種情況下，再生成的裂變燃料與原先裝人堆內的不屬同一種素，轉換比C也往往小於1，但相應的工藝過程仍稱為軸-鈽循環或釷-鈾循環。
鈾-鈽燃料循環和釷-鈾燃料循環2
鈾-鈽燃料循環的工藝過程包括：
（1）礦地質助探；
（2）礦石開採；
（3）鈾的提取和精製；
（4）鈾的化學轉化；
（5）鈾-235的高集（鈾同位素分離）；
（6）燃料元（組）件（及轉換元（組）件，如果單獨有的話）製造；
——以上稱為燃料循環前段。
（7）堆內使用（燃耗）。
以下稱為燃料循環後段：
（8）乏燃料中間貯存；
（9）乏燃料運輸；
（10）乏燃料後處理；
（11）放射性廢物的處理和最終處置。
鈾-鈽循環已實現工業規模的生產，釷-鈾循環處於研究試驗階段。現行壓水堆、沸水重水堆和石墨堆均採用鈾-鈽循環。熱中子堆在C<1的情況下復用鈾和鈽，仍可以大大減少對天然軸以及對U-235富集能力的需求。後處理工廠則是問收鈾、鈽資源必不可少的環節。
釷本身不是裂變物質，只有在反應堆內經中子輻照轉換成鈾－233之後才成為裂變燃料。因此，釷的利用不同於天然鈾，後者可直接用作核燃料，而釷則必須與裂變燃料（U-235或Pu-239）合用才能實現核燃料的轉換。
世界上最初對釷的興趣是出於對鈾資源不足的擔心。U-233具有對熱中子的俘獲裂變截面比值α特別小、次級中子產額特別高的突出優點，這對於堆內中子平衡和裂變燃料利用率都是十分有利的。幾乎所有的熱中子堆型都研究過採用釷-鈾循環，研究得最多的是高溫氣冷堆，但它不能實現裂變燃料的增殖。其他研究過的堆型有輕水增殖堆和熔鹽增殖堆，它們可望實現的燃料增殖比分別是1.01~1.02和1.05~1.07。就增殖性能而言，不論是熱中子堆或快中子堆採用釷－鈾循環都遠比不上快中子堆鈾－鈽循環。此外，乏燃料中的U-233和Th-232分別含有少量的U-232和Th-238，它們的衰變鏈中包含一些強放射性衰變產物，特別是Tl-208發出能量高達2.6MeV的γ輻射。給後處理和燃料元（組）件再製造帶來很大困難，燃料元（組）件再製造必須在禁止牆後面遠距離操作，對於燃耗深或經多次循環復用的U-233燃料，由於U-232含量的增大，禁止還得增厚。燃料組件成品的裝卸搬運直至吊裝入堆也要隔著禁止進行。還有其他一些複雜的工藝問題。這些工藝都不成熟。目前由於鈾供應充裕和核能增長緩慢，釷-鈾循環的開發工作僅在印度和加拿大小規模地進行。美國則主要在一次通過燃料循環方式的基礎上，研究輕水堆燃料摻釷以加深燃耗、延長運行周期、減少卸料量、降低核擴散風險的可行方案。
釷-鈾循環的另一特點是不產生鎇、鋦等長壽命重錒系核素。所以只要在後處理過程中清除掉鈾和鏷-233（Pa-233），廢除的總放射性水平要比鈾-鈽循環低一個數量級以上，這有利於廢物處置。
