核燃料循環(huán)是核工業(yè)體系基礎

核電產業(yè)鏈包括從上游核燃料供應到中游核設備生產制造，最后到下游核電建造及運營等。從盈利水平角度來看，核燃料產業(yè)鏈、核島主設備制造以及核電站運營的毛利率較高，相關企業(yè)將收獲相對更多核電行業(yè)高景氣的紅利。

核燃料循環(huán)是核工業(yè)體系中的重要組成部分之一。核燃料循環(huán)分為前端與后端兩部分，循環(huán)的前端包括鈾礦開采、礦石加工(選礦、浸出、沉淀等多種工序)、鈾的提取、精制、轉換、濃縮、元件制造等步驟;后端包括對反應堆輻照以后的乏燃料元件進行鈾钚分離的后處理以及對放射性廢物處理、貯存和處置。

前端包含了從礦物開采到核能燃料發(fā)電全過程，是整個核能工業(yè)的基礎和起點，對核工業(yè)體系運行影響顯著。

流程分析：鈾礦分析重中之重

核裂變燃料是目前主流核燃料。鈾是一種化學元素，是自然界中能夠發(fā)生核裂變反應的元素之一，該元素在核能領域具有重要的應用價值。核燃料分為核裂變燃料和核聚變燃料，目前核裂變技術較為成熟，核裂變燃料主要包括鈾-235、钚-239 和鈾233。鈾-235 存在于純天然鈾中，但僅占 0.71%，需要進行鈾濃縮后使用。

鈾礦的開采是核燃料循環(huán)前端的關鍵步驟之一，其過程包括勘探、開采、礦石加工等環(huán)節(jié)。20 世紀鈾礦石大多從露天礦坑或地下挖掘場直接進行開采，開采后對礦石進行粉碎和提煉，以便將鈾與其他元素分離。

隨著技術發(fā)展，目前主要采用原地浸出法，這種方法可直接將鈾從礦床中溶解出來。截止至 2020年，全球約有 58%的鈾通過原地浸出法開采。2023 年，原地浸出法采鈾產量已占中國天然鈾總產量 90%以上。

鈾礦轉化的目標是將 U3O8轉換為 UF6。UF6是目前鈾化合物中唯一易揮發(fā)的化合物，是氣體擴散法、超離心法中分離和富集鈾 235 和鈾 238 最為適宜的工作介質，在原子能工業(yè)中具有非常重要的意義。制備 UF6 分干濕兩種方法。濕法制備過程中采用氟氣氟化四氟化鈾制備 UF6 是最主流工業(yè)制備方法，且消耗氟氣最少，干法制備目前僅有美國聯(lián)合化學公司的麥楚波利斯工廠使用。

鈾濃縮是將鈾-235 的含量從天然水平(0.7%)提高至 3%~5%的過程。天然鈾中的鈾 235 與鈾 238 化學性質基本相同，唯一不同的是質量有微弱的差別，所以對鈾 235 的濃縮就是利用這一微弱質量差。

早期，鈾濃縮工序采用氣體擴散法，通過一系列擴散膜來實現(xiàn)分離，該方法經過美國實踐驗證可行。但氣體擴散法有著分離系數(shù)小，工廠規(guī)模大，耗電量大，成本高昂等缺點。隨著大部分氣體擴散廠達到其設計的使用壽命,氣體離心法進新工廠應用而生。相比氣體擴散法，氣體離心法更節(jié)能。在氣體離心法進行鈾濃縮工序中，由于鈾-238 較重，它會在離心力作用下被推向外圍，而較輕的鈾-235 則保持在中心。

鈾的逆轉化是將 UF6氣體脫氟轉化為 UO2固體的過程。目前存在“干”或“濕”兩種方法將 UF6 轉換為 UO2。在干法中，六氟化鈾氣體被加熱到蒸汽中，并引入兩級反應容器(例如旋轉窯)，產生固體鈾酰氟化物(UO2F2)粉末，該粉末與在蒸汽中稀釋過的氫氣進行反應去除氟化物，并在化學上將鈾還原為純微晶 UO2 產物。濕法包括將 UF6 注入水中，形成 UO2F2 顆粒漿。

在此混合物中添加氨或碳酸銨，顆粒漿在混合物中通過過濾、干燥和加熱等步驟得到 UO2 固體粉末。

燃料組件加工是將處理好的 UO2 加工為可以進行使用的核燃料元件的過程。該流程主要分為芯塊制備、燃料棒制備，組件組裝三道工序。芯塊制備是指通過壓制將完成氟脫離工序后得到的 UO2 粉末壓緊實，并采用 1750℃的高溫炙烤粉末燒結形成固體芯塊，最后磨削至光滑規(guī)則狀態(tài)，得到可供使用芯塊;燃料棒制備是指將芯塊放入由耐腐蝕、抗中子吸收材料(通常為鋯合金)制成的包殼管中形成燃料棒，并進行焊接以確保密封;組件組裝包括將燃料棒、格架和端塞等組件組裝成燃料元件并對元件的相關性能進行測試。

我國自研 CF3 系列核燃料組件示意圖

資料來源：國家原子能機構

乏燃料是指在反應堆“燃燒”到一定程度后從堆中卸出的核燃料。乏燃料從反應堆內移出后仍具有放射性，同時會釋放大量衰變熱，需先妥善貯存，待放射性和余熱降至一定程度后再進行后續(xù)操作與處理。乏燃料含有大量有用核素，經過專門處理后能變廢為寶。

目前國際上對乏燃料處理有兩種方法：

第一種是將乏燃料經過冷卻、包裝后作為廢物直接處置不再循環(huán)利用;

第二種是回收有用核素再利用，僅對分離出的廢料進行處置，稱作閉式循環(huán)。

乏燃料含有的核素中，鈾、钚可以重新制成燃料元件，另外一些元素如氪、鍶、锝、銫、钷、镎、镅等在國防、宇宙能源、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)和科學研究等領域具有重要作用。