科普丨核燃料是怎样“炼”成的？

反应堆核燃料组件

自然界中的铀主要有三种同位素：U-238，U-235，和U-234，其中易裂变的U-235是目前主要使用的核燃料。1千克U-235裂变时所产生的能量相当于2700吨标准煤燃烧后所产生的能量。

铀矿的特点是品位低、矿体分散、规模小，含铀量高于0.05％就有开采价值。铀矿石开采出来后，经过破碎、研磨、浸出、固液分离、离子交换或溶剂萃取等一系列过程，得到铀化学浓缩物，这种初级产物是鲜艳的黄色，被称为“黄饼”（yellow cake）。黄饼经过进一步提纯制备成铀氧化物，再进行化学转化制成二氧化铀或金属铀。这时的铀产品中铀同位素含量与天然铀相同，即U-235仅占0.71%。也就是说，每1000个铀原子中，只有7个可以利用。要作为核电厂轻水堆的燃料，需要把U-235的浓度提高到2%~5%，之后才能制成芯块并组装成核燃料组件。

世界上已建有各种各样的反应堆，它们采用的燃料元件也形式多样。按反应堆类型分，有生产堆元件、动力堆元件和研究堆元件等；按元件几何形状分，有柱状、棒状、板状、环状、球状和棱柱状等；按元件组分特征分，有金属型、陶瓷型和弥散型等。从物理形态上看，目前反应堆使用的核燃料均为固态，将来随着等第四代更先进核能堆型（如熔盐堆）的研发，液态核燃料也将有望逐步开发面世。

最后解答一个大家非常关心的问题，装了核燃料的反应堆会不会像原子弹一样爆炸？其实核爆炸取决于很多因素，其中之一就是U-235的富集度。制造原子弹用到的是武器级铀，U-235的富集度为90%以上。而核燃料的U-235富集度一般为2%~5%，与武器级铀相比还差好远呢。这就好比啤酒与白酒，酒精浓度决定它是否能被点燃，白酒因酒精浓度高可以点燃，而啤酒则不能。