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核燃料“自传” （陈德胜 中科院近代物理研究所 兰州） 第一节：自我介绍 大家好，我是铀（U-235），今天我给大家介绍一下我们核燃 料家族。我们核燃料家族是很庞大的，生活在地球上也已经很久了。 我们家族成员虽都很调皮，但一直秘密生活，直到 19 世纪末期才正 式开始和你们人类接触，为了帮助世界和平，我和钚（Pu-239）在 1945 年和你们合作，变成两个原子弹，打了日本一顿。打完架就 暴漏了自己，只能想法与你们和平共处，帮助你们人类发展，但偶尔 也会打打架。 先介绍一下我们家族的主要成员，我 U-235 是你们最好的朋友， 因为我可以变成原子弹，成为人类最可怕可敬的武器，但是我要求很 高，不是说变就变哦。我的一个同袍兄弟叫 U-238，他没有我有能 耐，你们必须要用离心法或者蒸馏法等，让我从 0.72%的占比变到 90%才能为你们打人。不过和轻水堆合作发电只要 3%-5%就可以 了，快堆要求高点，15%可以合作。Pu 兄弟变成原子弹比我厉害， 和平发电也比我厉害，他是我同胞兄弟 U-238 吸收中子变成的。但 他脾气不好，毒性大，你们不能让他满世界乱跑，若被坏人利用你们 就遭殃了。他有放出α射线的功夫，你们合作可以变成电池哦，他身 体好，在太空环境里一点事都没有，给你们的卫星供电、保暖都不在 话下。如果你们合作的更好，也可以给你们的手机供电，这样好几年 你都不用充电了。钍（Th）兄，存量比我还多，Th-232 吸中子变 成我的另一个同胞兄弟 U-233，他和我一样，是你们的好朋友，发 电，打架什么的都没问题。我们家族有很多元素，每个元素都有很多 同位素兄弟，加起来何止上百，每个人性格都不一样，以后慢慢介绍 你们认识。 其实，今天主要是将下我和你们现在的合作现状。因为我刚开始 帮你打日本太狠（1945 年美国投两颗原子弹在日本），加上在三 里岛、切尔诺贝利和福岛和你们打过几次架，使得很多人害怕我，不 愿意和我合作。今天我就真诚的和你们谈谈，希望能消除你们的顾虑， 让我们以后和平相处。 我 U-235，在自己同位素兄弟中占不到 0.72%，绝大多数是 兄弟 U-238，我们在地球中的储量还是蛮多的，但由于我们合作的 程度不够，以目前的储量如果不加深彼此的了解，是没法合作多久的。 我生命的少年阶段是从你们发现我到进入反应堆前，可以称前端；壮 年期在反应堆燃烧，放出我的能量，称中端；退休后，就是卸出反应 堆到回到地壳或者轮回至前端称后端。我将从头到尾讲述我们现在的 合作环节，增加彼此的信任，更大程度的发挥我们的能力，真诚的帮 助你们地球人更好的发展。 先炫耀一下我的能耐:我 1Kg 可以抵得上 2500 标准煤的燃烧 热，所以，能帮你们发很多电；我能风雨无阻的全年一直燃烧，不像 风能，还得看心情，太阳能还得睡觉；你们人类为了发展，已经释放 了很多 CO2，让全球气温升高，我不会释放 SO2，CO2 等让你们心 烦的东东，哈哈，还有点好多优点呢！不过这优点明显，缺点也不含 糊。我们家族的成员都有一个致命的臭脾气，就是很多都具有放射性， 而且寿命还很长（半衰期），像我就能活 7 亿年；最要命的是我们 会产生很多垃圾（乏燃料），且一旦退休就成了麻烦，所有人不想要 的麻烦。就这两个缺点就使得你们人类很惧怕我们，总用异样的眼神 看我们。 第二节：坦诚相待 你们从地壳中发现我，然后用堆浸或先进的地浸工艺将我们制成 黄饼（重铀酸铵），然后运送至纯化厂，用沉淀法等工艺把我们变成 杂质含量低的 UO2,然后再把我们转化成易挥发的 UF6，送到浓缩厂 离心浓缩，让我的比例提高到我能自己燃烧的程度，再把我发配到元 件厂，让我长大成型，变成元件（UO2），接着就等待小宇宙的爆发。 在与你们合作初期，因为你们国家战略，各个环节的合作都是在不同 的地方，现在世界和平，追求经济发展，我们终于可以通力合作，已 经迫不及待的想进入你们为我们家族建造的城堡（广东核燃料产业园 和河北核燃料产业园）。在那里我们将加强合作，研究开发新的纯化 转化工艺，先进的核燃料元件，先进的后处理处置工艺，着力提升彼 此信任，拓宽我的生命宽度，也丰富你们地球人的生活。 每个生命都有属于自己的价值和生活的路，由于我燃烧的炉子 （反应堆）不同，我的样子也有所不同，富集的程度也不同，最终老 去的方式更不同，但我在一直尽力活出自己的精彩。 截止今年初，全世界 440 个反应堆绝大多数是第二代，中国在 内的几个国家在积极建设第三代，先进的第四代还处于理论研究和关 键环节研发阶段。我们喜欢住高级的房子，因为我们一旦燃烧起来就 很疯狂，万一小宇宙爆发，那可是要出事的，我很容易变成魔鬼的， 高级的房子住着舒服，变身（裂变）时安全性也高。 我之所以能变 身是因为我调皮，时不时的放出中子，然后打到其他的 U-235，他 们又变成两三片，同时放出 2 个以上的中子打别人，这样形成链式 反应，同时很短时间释放出很大的能量。当我们化身魔鬼时就不在乎 放多少能量了，但和平发电还是得控制情绪（中子释放量），维持稳 定的能量放出。中国虽然现在没有建造很多，可你们态度好，计划建 造 42 个，提议建造 136 个，鉴于这种友好的态度，我们一定得坦 诚相待，同心同德。 每个生命都希望在最好的年华释放最大的能量，做到一生无憾， 可我想起我在最辉煌的时候只放出 2%的能量时我就痛恨不已。更要 命的是我这性格还贼不好，会产生很多你们人类不愿意接受的垃圾， 有强放射性高剧毒的次锕系核素（镅-241、锔、镎等），高释热的 核素（锶-90、铯-137 等）和长寿命核素（铯-129，锝-99 等）， 他们很不好对付，这也是我们未来要共同克服的最大的一个挑战。 从开始和你们合作到现在，我们一般是直接牺牲掉没有燃烧的部 分，一起和水泥或者玻璃固化之后被埋在地壳，你们称为‘一次循环’。 但现在你们需要更多燃料，我们又没有那么多，再者产生垃圾越来越 多，潜在危险愈来愈大，超出你们的管理能力，所以你们必须帮助我 们，将剩余的我和产生的钚重新提取出来返回前端，让我们重回一线 战斗，最小化原则处理我们的垃圾。其实我们的垃圾里边也有很多是 非常有用的，像锝-99 用于医疗，铯-137 用于辐照加工或者工业 器件探伤等，只是你们没有能力获取而已。 第三节：再接再厉 有志者，事竟成，破釜沉舟，百二秦关终属楚。相信在我们互相 努力进步之下会解决所有的问题。 其实，我在整个地球中的量还是很多，只是你们还没有能力将我 从海水中提取出来，不过鉴于你们这么努力的在想办法，我就不再抱 怨，静静地等待你们的成功。反应堆是最关键的一个环节，我也知道 你们一直在努力为我们建造安全性高的房子。住多了第二代，还没享 受第三代，听说你们已经在中国山东、浙江和福建开始建设了，好期 待。还有，知道你们已经确立了六钟更先进的系统，说是，不仅能大 幅提高我们的燃烧程度，而且还产生很少的垃圾，听着好诱惑，希望 你们早日成功。 木桶能装多少水是由最短的板决定，后处理就是你我必须合作攻 克的短板。先说说目前的进展，燃料后处理方式大致有三种：水法， 干法和嬗变。 水法工艺比较早，刚开始和美国人合作，有很多流程，我们最适 应的是 Purex 流程，这也是现在唯一商用后处理的。就是待我们退 休后，将我等身体剪成小段 3cm-5cm，然后用硝酸将我们和垃圾 一起溶解，之后用磷酸三丁酯（TBP）溶剂萃取分离，然后把我和钚 分开单独招待。由于服务周到，我和部分钚就再次轮回到一线，其他 的就被固化封存，这种做法比较成熟，我们合作最好的是法国，现在 和中国也合作了，他们很热情招待我们，已经开始为我们在中国西北 建造大厂。 干法：顾名思义就是不让我们接触水。方法也有很多，像把我们 都变成氟化物，利用彼此挥发性不同进行分离，但这种方法太坑，实 在不喜欢。还有将我们高温溶解成氯化物再电解，这种方法还稍微靠 点谱，但也不怎样，折腾了几十年还是不能让我等满意。 最后一个是最理想的一种，也是难度挺大的一种。嬗变，有反应 堆嬗变，有加速器驱动次临界堆嬗变（ADS）变两类。前一个就是 将我们在扔进快中子反应堆里边，利用反应堆里面兄弟放出的中子将 我们再次打击，让我们接着裂变，变成短寿命的稳定的核素。但这种 方法很容易让反应堆的兄弟不满意，万一生气，炸锅了就麻烦，再说， 这样一次才能处理一点点。ADS 嬗变我比较喜欢，但技术挑战很大， 他需要将最伟大的两种大装置结合使用，就是加速器和反应堆。首先 将质子用加速器加速到很高的能量，然后去轰击铅或钨靶，打击出很 多高能量的中子，然后让中子在次临界反应堆中打击我们这些渣渣和 垃圾。这个方法很牛，世界上有十多个国家早已经规划这类项目，中 国科学院也已经确立了 ADS 先导项目去研究相关技术问题，已经取 得不俗的成绩。这个方法的优点是他一次能处理十多个反应堆产生的 垃圾；他释放的中子能量比反应堆释放的还高 5 倍左右，所以打击 这些我燃烧之后产生的垃圾不在话下，直接可以将他们的命(半衰期) 打成几百年的期限，大大减少了往地壳中埋藏的量和管理的风险。 苦心人，天不负，卧薪尝胆，三千越甲可吞吴。相信大家对我们 家族的情况和发展有了一定的了解，希望在我们共同的努力下克服一 切困难，为彼此的安全成长保驾护航。 （*文中部分数据源于核能战略研究中心）