核电站烧完的“煤渣”--乏燃料到底是什么？

乏燃料 (spent fuel) 在核反应堆中经受过辐射照射、达到预期燃耗的核燃料，通常由核电厂或研究用核反应堆产生。乏燃料中包含有大量的放射性元素，包括未反应的铀、新产生的钚和次锕系元素以及裂变产物等。伴随着放射性核素的衰变，乏燃料放出一定量的衰变热，因此必须慎重管理。

乏燃料的化学成分和放射性压水堆核电厂卸出的乏燃料中 96%的质量是剩余未反应的铀，大部分是铀-238，小部分是铀-235。通常情况下，铀-235 的质量分数小于 0.83%，仍然高于天然铀中的比例。乏燃料中大约 0.9%的质量是钚-239、钚-240 和钚-241 等，这些钚由铀-238俘获中子后经 β 衰变再俘获中子而产生，其中钚-239 是长寿命易裂变核素，可以用于制造混合氧化物燃料。

对于天然铀核燃料，易裂变成分铀-235 的浓度为 0.71%。当停止使用的时候，总的易裂变材料的成分仍然达 0.5%，其中铀-235 约占 0.23%，钚-239 和钚-241 约占 0.27%。从反应堆中卸除这些燃料的原因并不是裂变物质已经消耗完了，而是因为能够吸收中子的裂变产物已经足够多，导致核燃料无法维持链式裂变反应。

乏燃料中还有少量的次锕系元素镎、镅和锔。在反应堆中由重核俘获中子形成的这些元素的含量依赖于使用的核燃料的性质与反应堆的条件。典型的压水堆核电厂乏燃料中锕系元素的含量和裂变产物的量见表 1、表 2。

乏燃料中占其质量 3%的物质是铀-235 和钚-239 的裂变产物。这些物质被认为是放射性废物，但是由于它们可能有工业上和材料上的用途，仍然需要将它们分离出来。铀和钚的裂变产物包含了周期表中从锌到镝的所有元素，这些元素按照质子数的分布出现两个峰：第一个峰是锆、钌、钼、锝等，另一个峰是碘、氙、铯、钡、镧、铈、镨、钕等。许多裂变产物不具有放射性，或者是寿命很短的 β 放射性同位素，但是仍然有相当数量的产物是中长寿命的 β 放射性同位素，如锶-90、铯-137和很长寿命的锝-99 和碘-129 等。

乏燃料的衰变热 当核反应堆关闭的时候，链式核裂变反应也随即停止，然而由于裂变产物的 β 衰变，乏燃料仍然放出大量的热量，热功率大约是核反应堆稳定工作时功率的 7%。在反应堆关闭 1 小时以后，衰变热功率约为稳定工作时的功率的 1.5%，1 天以后变为 0.4%，1 周后 变为 0.2%，然后随着时间延长继续慢慢减小。压水堆乏燃料卸除放置 1 年后 ，放射性降低到2×10∧6 ～ 3×10∧6 Ci/tHm，热功率降到 1×10∧6 W/tHm，以后持续下降。300年之前，放射性和释热主要来自裂变产物，之后主要来自锕系元素。

从核反应堆中移出的乏核燃料通常会储存在乏燃料贮存水池(见图 2)中进行冷却，同时对其放射性提供屏蔽。核电厂乏燃料冷却时间一般不少于 3～5 年。乏核燃料水池使用热交换器，让冷却水在其中循环流动将衰变热带走。

处理 对于乏燃料的处理，目前的技术路线有两条：

一是：经过化学后处理分离铀、钚加以循环利用的闭合燃料循环策略，典型的处理工艺是使用磷酸三丁酯作为萃取剂的普雷克斯萃取流程;

二是：不进行化学处理直接进行整备以后处置的一次通过策略。

最终处置通常的最终处置采用深地层地质处置的方式。不同的乏燃料处理技术路线，其最终处置的对象是不同的。对于化学分离的技术路线，通过后处理提取了可循环利用的铀和钚，其余的放射性核素留在废物中，转化为高放废物玻璃固化体，进行最终处置。对于一次通过的技术路线，要处置的是乏燃料本身，必须对乏燃料进行必要的整备以满足最终处置的要求。