核燃料循環產業是整個核工業產業鏈的一環，也是核能發展的大動脈，包括鈾礦開采、冶煉、轉化純化、同位素分離、燃料元件制造、乏燃料后處理、放射性廢物處理處置、核電站反應堆等多個環節。從礦產開發到最終的地質填埋，通常會經歷一個完整的燃料循環。

核燃料是指含有易裂變核素，能夠在反應堆內實現自持鏈式核裂變反應的物質。核燃料棒最核心的材料是二氧化鈾，由天然鈾提煉而成，鈾礦需經過勘探開采、水冶、鈾轉化與鈾濃縮等過程，最終送往核燃料加工廠制造出核燃料元件。在核燃料成本結構中，天然鈾所占比例最高，達到 49%。然而我國鈾礦資源并不豐富，主要依賴進口。

1. 鈾礦開采方面：我國屬于貧鈾國，國內大部分鈾資源屬于非常規鈾，開采成本較高，主要依賴進口。目前全球鈾資源主要供應國家有哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、加拿大、納米比亞、尼日爾和澳大利亞。根據 WNA、中核集團、海關總署、立鼎產業研究網數據，我國 2017 年鈾礦對外依存度約為 84%。而由于該行業具有國家安全意義，我國僅中核集團及中廣核有資格從事鈾礦開采和進出口業務。

天然鈾是核工業的基礎原料，鈾元素分布廣，但其礦床非常有限。一般鈾含量在千分之一以上的鈾礦就具有開采價值，露天礦或開采條件較好的礦也可以開采。

由于礦石中有較多廢石，因此需要先進行選礦，鈾礦加工先將礦石濃集成鈾含量較高的 U3O8，俗稱黃餅，黃餅中 U3O8的含量一般在 40-80%。制成黃餅的濕法化學處理，通常稱為水冶，即鈾的提取和精制，一般在礦山附近進行，鈾化學濃縮物制成后會進行外運，為了便于儲存和運輸，一般會制成鈾的氧化物形式。

2.鈾的轉化純化：黃餅在提純后，會被送至鈾的濃縮工廠，加工成六氟化鈾。天然鈾元素含量分別為 238U 99.28%，235U 0.71%及 234U 0.006%。而要滿足核電發電的需求，就要提升 235U 的含量。工業規模生產富集鈾的方法，主要有擴散法和離心法 2 種。

1)擴散法，即利用六氟化鈾(氣態)種不同鈾同位素氣體分子的質量差進行分立，已有 50 余年歷史，技術較為成熟，但缺點是耗電量大。

2)氣體離心法：是生產富集鈾的主要方法，利用離心力將氣態六氟化鈾同位素分立，于上世紀 90 年代開始用于工業生產，耗電少，但投資較大。當鈾的濃度提高至 4%左右時，將鈾混合物粉末燒結成二氧化鈾陶瓷芯塊。

3.核燃料組件的制作：二氧化鈾是核燃料棒的核心材料。二氧化鈾瓷芯塊為直徑約 1 厘米，高 1 厘米的圓柱體。幾百個芯塊疊在一起裝入直徑 1 厘米，長度約 4米的細長鋯合金材料套管內，管的厚度為 1 毫米左右。

因為核裂變反應就像是在燃燒原子，因此稱為燃料棒。隨后，燃料棒還需要放入燃料棒組件架，一般幾百根燃料棒會按照一定間隔，按照 15*15，或 17*17 排列并被固定成一束，即燃料組件。一般，一整個燃料組件主要由上下管座、格架、控制棒導向管和燃料棒組成。

4.乏燃料的冷卻及儲存：隨著核電運行，燃料中裂變核素鈾逐步消耗，不足以維持裂變反應，從反應堆中取出的燃料稱為乏燃料，或輻照過的燃料。把已經使用的 3%-4%的鈾廢料(乏燃料)，以化學方法將鈾和钚從裂變產物中分離出來，稱為乏燃料再溶解和后處理技術，這也是核燃料循環后段中最關鍵的一個環節。

但一般在乏燃料進行后處理之前，會先進行冷卻，原因在于乏燃料比活度非常高，且釋放大量衰變熱，必須貯存一段時間后再進行后處理。乏燃料貯存按照時間長短可以分為短期貯存、中間貯存、長期貯存三種。

其中，短期貯存即在乏燃料在后處理前先短期貯存幾個月-幾年時間。一般動力堆乏燃料的冷卻時間不少于 3-5 年，經過冷卻后的乏燃料經過自然衰變，其放射性活度和釋熱效率降低，也可以緩解后處理工藝上的技術難度。中間貯存較為重要，它可以使后處理的時間推遲幾十年，為尋求放射性廢物最終處置方案爭取時間。

長期貯存一般是采用濕法的水池和干法的金屬容器、混凝土密封容器、地下室、干井等。根據《乏燃料的長期貯存與處置》，濕法及干法貯存的時間可達到 50 年甚至更長時間。一般，在反應堆貯存池裝滿后，后處理廠產能可以滿足需求之前，通過建造新的離堆貯存設施，來進行中長期貯存是唯一可能的解決方案。

5.乏燃料的后處理與鈾回收：乏燃料后處理的目的主要是提升資源利用率、降低對環境的威脅。目前，全球處理乏燃料的方式主要有兩種，一種是開放式，一種是閉式循環。簡言之，開放式燃料循環即經過簡單的冷卻、剪切、封裝后運往合適地點，直接填埋，目前瑞典、加拿大、西班牙、美國主要采取這種方式。

閉式燃料循環即分離乏燃料中的鈾、钚元素進行再利用，降低其活性和放射性，并將高放廢物進行填埋的處理方式。目前法國、英國、俄羅斯、日本、印度、中國均采取這種技術路線。

目前，全球最成熟的乏燃料后處理技術為 PUREX 技術，主要包括首端處理、萃取分離及凈化、尾端處理三個緩解。其中，首端處理主要工序包括乏燃料組件的切割、去包殼、燃料芯塊溶解、過濾、調料、尾氣處理等。萃取分離凈化的目的在于對鈾、钚于放射性裂變產物的分離和凈化。尾端處理的目的主要在于將鈾、钚元素轉換成經濟且易儲存的形式，如四氟化鈾、二氧化钚。

鈾在再處理過程中回收的材料中占很大一部分，法國、英國、日本均有回收再處理的企業。乏燃料中約有 96%是剩余未反應的鈾元素，多數為 U-238，小部分為U-235,一般 U-235 的質量分數要小于 0.83%。由于燃耗的限制，乏燃料中 U-235的估計都仍然要比天然鈾高，且钚等其他元素可以提取出來加以再次利用，制作成新的燃料組件。(完)