從核廢料中還能提取出有用的核原料嗎?

角樓日落


在很多核反應堆費料中還是可以繼續提煉出一定量的核材料的。

我們知道核反應堆中的主要燃料是鈾燃料。

鈾燃料是中低度的濃縮鈾。

通常的情況下會以燃料塊的形式呈現在大家面前。

也就是圖中鑷子夾起的這麼一小塊。但是要注意的是這個能夾起來的不是鈾,鈾燃料塊的大部分組成成分是石墨和二氧化硅。鈾在哪裡呢?圖中是看不見的。

鈾被按照上面的的結構製作成了鈾燃料顆粒,這種小球體是石墨和二氧化硅包裹的二氧化鈾,直徑最大也就0.5mm,鈾燃料塊以這種小球體粘連壓制而成。

之後再將若干的鈾燃料塊封裝起來,串入金屬管子裡面也就是大家熟知的核反應堆燃料棒了。

鈾燃料顆粒裡面的鈾一般是3-5%的鈾235再加上95~97%的鈾-238。真正用於反應發電的其實就只是裡面的鈾-235。鈾-238其實是不必要的燃料,根本不參與裂變反應。


但是反應堆中鈾-235裂變的時候並不是“智能化”的操作,裂變產生的中子不是僅僅擊中鈾-235的原子核,還有很大一部分會擊中鈾-238的原子核。

這時,鈾-238也會有一定概率俘獲中子生成更重的元素。經過一系列的反應,鈾-238就會轉變成鈈-239.

鈈-239,熟悉武器的人應該知道是什麼東西了吧?沒錯這是製作原子彈核心的一種重要材料。世界上大部分原子彈的核心其實都是鈈-239製作的。


由於濃縮鈾是將一種元素的兩種不同同位素分離出來,因此只能使用物理方法進行分離,這就用到了離心機。濃縮鈾本身的材料其實並不值錢,而濃縮鈾貴就貴在了“濃縮”過程中大量幾萬轉的離心機所消耗的電能。

濃縮鈾的工廠裡的離心機是多到一望無際的,但這種工廠每天消耗巨大能量其實也就只能生產幾克的武器級(鈾-235含量90%以上)濃縮鈾。

鈈-239就不一樣了,由於和鈾是兩種不同元素,那麼就可以很方便的利用化學方法進行提取。很多核設施會利用鈈和鈾在相同的化學試劑裡面反應度不同的方式直接提取出高純度的鈈-239。比起濃縮鈾來說特別的經濟實惠。


所以說,第一個重要和核廢料中的有用物質就是“鈈”了。

為了限制核武器的發展,現在很多國家的核反應堆都改成增值反應堆了,其原理簡單的說就是反應堆內的中子環境不僅僅滿足鈾-235裂變的需求,還滿足鈈-239的裂變需求。這樣在反應堆中鈾-238轉變出的鈈-239就直接消耗掉了。這樣就不可能利用核廢料來生產武器了。


另外一種“核廢料”叫做鈈-238,這種核廢料經常出現在重水反應堆裡面。

重水(D20)是重氫(氘)和氧的化合物,通常用來作為核反應堆中的減速劑。

微觀的減速效果有點像咱們打檯球。中子撞擊了氘原子核損失了一些動能,但氘原子核也由於中子的撞擊產生了一定的動能。

這時如果獲得足夠動能的氘原子核撞擊了鈾238就會產生一個下面的反應:

最終會生產鈈238。這個東西挺穩定的,半衰期長達87年。衰變的過程中放出a粒子。但這個東西衰變的時候會釋放大量的熱量,每公斤鈈-238在衰變的時候可以達到560瓦的熱功率。

可以想像嗎?一公斤的鈈238可以在長達50多年的時間持續發出500多瓦的熱量。

所以大塊的鈈-238都是炙熱高溫的狀態——本身冒紅光啊。

現在有一種自動攪拌杯,倒入熱水后里面的小轉子會自動旋轉,用的就是一種熱差半導體元件,直接將熱能轉化為能。

鈈-238的這個特性,也被用在了一些需要長久發電的機構上。例如人造衛星的核熱能電池。這就是利用大塊的鈈-238衰變放熱的特性發電的一種設備。

這種東西廣泛的應用在人造衛星和空間飛船上。例如——好奇號探測器。


最後,其實還有一種東西,算是人工添加到核反應堆裡面的,就是鈷。當鈷添加到反應堆中,自然態的鈷59吸收中子就會變成鈷的同位素——鈷60。

這種東西可以放出強烈的伽馬射線。

醫院裡面治療很多種癌症的的伽瑪刀,內部最核心的元件就是鈷60做的伽馬射線源了。


所以說啊,沒有廢料,關鍵在人怎麼學會運用這些東西。


軍武數據庫


目前的情況包括美國都還是放在核電站裡面暫存,就是乏燃料水池。

中國計劃建造地下深埋的基地來存放,當然也有後處理廠重新分解提取有用核素,把剩下完全不能處理的放射性核素和廢物再減容固化存儲起來。

當然最好的方法是從源頭解決,利用快堆的嬗變技術,把長壽命的核素轉變成短壽命的或者當做燃料再次利用就可以大大減少核廢料的產生。


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