核燃料的制造过程:从铀矿石到核燃料颗粒

2022-05-28 14:13    铀矿石  核燃料

​尽管它们经常引发争议,但核电站是一种巨大的能源,原因之一是它是从燃料源中提取能量的最有效方式,效率约为煤炭或石油的8000倍。根据美国核能研究所的数据,一个指尖大小的核燃料颗粒含有的能量相当于17000立方英尺的天然气、1780磅的煤或149加仑的石油。


尽管它们经常引发争议,但核电站是一种巨大的能源,原因之一是它是从燃料源中提取能量的最有效方式,效率约为煤炭或石油的8000倍。根据美国核能研究所的数据,一个指尖大小的核燃料颗粒含有的能量相当于17000立方英尺的天然气、1780磅的煤或149加仑的石油。
 
核能有两种形式:聚变和裂变。两者都释放能量,各有利弊,但到目前为止,我们只弄清楚了核裂变。所以当我说核燃料时,我指的是核裂变燃料。核燃料通常被称为“高浓缩铀”,但要达到这一点需要付出很多努力。1941年,恩里科·费米用少量铀235创造了第一个可控核链式反应,从那时起,我们在提取铀并从中制造可用燃料方面变得更好。
 
铀矿石并不罕见,它在地壳中的丰富程度是银的40倍。一旦钻出或从地下挖出,铀原子就会与周围的矿物质混合,因此必须对其进行处理,这涉及一些非常强烈的化学反应。首先,矿石会被压碎然后加热,以干燥碳含量(如粘土),以便将其冲走。
 
然后矿石和水的浆液用硫酸浸出,这些过程使铀原子与硫和氧结合形成氧化铀液体。为了得到我们从电影中认出的黄色粉末,铀是用氨从溶液中提取出来的。这种“黄饼”铀被放入桶中并运走以进行更多纯化。在这一点上,铀还没有超强的放射性,如果你站在距离一个装满铀黄饼的桶一米的地方,你受到的辐射不会比飞机上的乘客更多。
 
 
这种铀仍然需要进行浓缩,然后才能用于发电。那个黄饼铀是99.3%的铀238,只有0.7%的铀235。为了制造燃料,科学家们需要更多铀23同位素,接下来就是核离心机的用武之地。事情从这里开始,它变得更加危险,更具放射性,因此工程必须非常精确,否则人可能会死亡。
 
首先,他们取出黄饼铀,并通过与氟发生反应将其转化为气体——产生的六氟化铀气体甚至比黄饼铀更纯净,可以放入离心机中。离心机是一个巨大的旋转容器,旨在使用物理学来分离材料。在旋转过程中,离心力会导致较重的粒子尽可能远离中心收集,较轻的粒子更靠近内部。在这种情况下,较重的铀238同位素被向外抛出,使较轻的铀235更靠近中间。因为质量只有1%的差异,所以它必须在离心机中一次又一次地旋转。最终,离心机中间的气体变得越来越浓缩。
 
 
一旦燃料含有5%的铀235(也就是95%的铀238),它就适用于一些核反应堆。但这远不足以制造核武器,它可能需要高达90%的 铀235。一旦达到您想要运行的核发电厂类型所需的浓缩度,就必须通过添加钙将浓缩的六氟化铀变成固体。钙和氟化物发生反应形成盐,只留下氧化铀,将其加热到1400摄氏度并挤压成陶瓷颗粒。这些铀颗粒被放入棒中,然后可以将成百上千的这些棒以各种配置放置在核电站内。
 



图为技术

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