乏核燃料

乏核燃料是指受過輻射照射、被使用過的核燃料，通常是由核電站的核反應堆產生。這種燃料無法繼續維持核反應。乏核燃料中仍然包含有大量的放射性元素，因此具有放射性，如果不妥善處理，會嚴重影響環境與接觸它們的人的健康。

## 乏核燃料

### 納米材料性質

低濃縮鈾乏核燃料是一種納米材料。核燃料通常是裂變物質的氧化物，形狀為柱形小顆粒。在接受輻射發生裂變以後，其中存在有巨大的溫度梯度，可以使裂變產物發生遷移。例如，鋯具有向燃料中溫度最高的中心移動的趨勢，而其他低沸點的裂變產物則向燃料邊緣移動。核燃料小顆粒在使用過程中可能會產生有很多的氣泡，使得核燃料變得像海綿一樣，而裂變產生的氙會遷移過來填補這些氣泡。一部分氙隨後會衰變成銫，因此很多氣泡中都有較高濃度的銫-137。

在混合氧化物的乏燃料中，氙有向鈽的濃度高的區域之外擴散的趨勢，隨後，它將被包裹在二氧化鈾之中。而釹則沒有移動的趨勢。

在核燃料接受輻射的過程中還會形成鉬鎝釕鈀合金的金屬顆粒。還有一些固體物質會在二氧化鈾晶粒的邊界形成，但是大部分裂變產物仍然保存在作為固體溶劑的二氧化鈾之中。參考文獻描述了一種使用無放射性的物質來對氧化物乏燃料的仿真方法。

### 裂變產物

乏燃料中占其質量3%的物質是鈾-235和鈽-239的裂變產物及它們的衰變鏈的間接產物。儘管這些物質被認為是放射性廢物，但是由於他們可能有多種工業上和材料上的用途，仍然可能需要將它們進一步分離出來。鈾和鈽的裂變產物包含了周期表中從鋅到鑭系元素的所有元素，這些元素按照質子數的分布會出現兩個峰：第一個峰是第二次轉換所產生的鋯、鈮、鉬、鎝、釕、銠、鈀、銀，而另一個峰是周期表中的碘、氙、銫、鋇、鑭、鈰、釹。許多裂變產物都不具有放射性，或者是壽命很短的放射性同位素，但是仍然由相當數量的產物是中期到長期的放射性同位素，如鍶-90、銫-137、鎝-99和碘-129。一些國家對裂變廢物中的稀有同位素的分離方法進行了研究，比如通過分離裂變產生的貴重金屬如銀和鉑族金屬釕，銠，鈀，可以或多或少的補償再處理的成本，然而目前這些方法都沒有得到商業化。

裂變產物可以改變二氧化鈾的熱傳導性能。鑭系元素氧化物會降低燃料的熱傳導性，而金屬納米粒子會稍稍增加其熱傳導性。

#### 化學數據表

元素｜氣體｜金屬｜氧化物｜固體溶劑

溴 氪｜是

銣｜是｜是

鍶｜是｜是

釔｜是

鋯｜是｜是

鈮｜是

鉬｜是｜是

鎝釕銠鈀銀鎘銦銻｜是

碲｜是｜是｜是｜是

碘 氙｜是

銫｜是｜是

鋇｜是｜是

鑭鈰鐠釹鉕釤銪｜是

### 鈽

乏核燃料中大約1%的質量是鈽-239和鈽-240，這些鈽由鈾-238俘獲中子後經β衰變而產生，它們既是一種有用的副產品，也是危險的、難以處理的廢料。為了防止核擴散，需要禁止那些尚未擁有核武器的國家使用這些鈽製造核武器。如果核反應堆工作正常的話，這些鈽是反應堆級，沒有達到武器級。它所包含的鈽-240較多，只有不到80%的鈽為鈽-239，使得這些鈽並不適用於製作核武器。然而，如果真得要用這些反應堆級的鈽製作核武器也並非不可能。如果接受輻射的時間比較短，那麼就會生產出武器級的鈽，鈽-239的比例高於80%，最高可達93%。

### 鈾

乏核燃料中的96%的質量是剩餘的未反應的鈾，大多數是鈾-238，一小部分是鈾-235。

- 乏核燃料經冷卻後還原得到的金屬鈾塊

通常情況下，鈾-235的質量分數小於0.83%，鈾-236的質量分數大約是0.4%。

- 通過可攜式核素識別儀對一塊來自乏核燃料的鈾樣品進行現場測定，儀器識別出樣品中仍含有未發生裂變的鈾-235

鈾-236是一種很棘手的長壽命放射性廢物。

再處理鈾包含有鈾-236，這種同位素在自然界中不存在，它可以用作乏核燃料的的標誌特徵。

如果將釷燃料用於反應堆中，產生的乏核燃料將會包含鈾的同位素鈾-233，其半衰期為159,200年。它將會對乏核燃料因衰變而產生的長期放射性產生影響。和混合氧化物核燃料相比，由於存在有未衰變完全的鈾-233，一百萬年之內的釷乏燃料的放射性將會比較高。

### 次要錒系元素

次要錒系元素是指除了鈾和鈽以外的錒系元素。在反應堆產生的乏核燃料中，可以找到這些元素的蹤跡，其中主要包括錼、鋂和鋦。在反應堆中形成的次要錒系元素的含量依賴於使用的核燃料的性質與反應堆的條件。例如，使用混合氧化物燃料（鈾-238基體的鈽-239）很有可能生產出大量的鋂以及更重的核素，而鈾釷核燃料則不會產生這麼多。

對於天然鈾核燃料：

天然鈾中的可裂變成分鈾-235的濃度為0.71%。當停止使用的時候，總的的裂變材料的成分仍然達0.5%，其中鈾-235占0.23%，鈽-239和鈽-241占0.27%。從反應堆中卸除這些燃料的原因並不是裂變物質已經消耗光了，而是因為能夠吸收中子的裂變產物已經足夠多，導致核燃料無法維持核反應。

一些天然鈾核燃料採用化學性質活潑的封裝，如鎂合金，而由於長期儲存和拋棄比較困難，這些燃料需要進行再處理。

對於軍用反應堆和研究反應堆中使用的高濃縮鈾來說，同位素的生產過程與反應堆堆芯燃料的管理過程和反應堆的工作條件密切相關。

## 乏核燃料衰變熱

當核反應堆關閉的時候，鏈式核反應也隨之停止，然而由於衰變產物的β衰變，乏燃料仍然會放出的大量的熱量。因此，在核反應堆關閉的時刻，衰變放出的熱功率大約是核反應堆穩定工作時功率的7%。在反應堆關閉1小時以後，衰變熱功率約為穩定工作時的功率的1.5%；一天以後變為0.4%；一周後變為0.2%。衰變熱功率隨著時間會繼續慢慢的減小。

從核反應堆中移除的乏核燃料通常會儲存在裝滿水的乏核燃料池中，需要保存一年甚至更長的時間以使其冷卻，同時對其放射性提供屏蔽。實際中使用的乏核燃料池設計通常不依賴被動的冷卻，而是需要使用熱交換器，讓水在其中循環流動，以將衰變產生的熱量帶走。

冷卻到一定程度的乏核燃料會從乏核燃料池中移出，放入特製的乾式貯存桶之中長期儲存，以騰出乏核燃料池的空間，並做為最終處置前的替代方案。

## 燃料成份與長期放射性

在核燃料循環結束後會產生的半衰期很長的放射性廢物，而這些放射性廢物的組成成分與如何設計乏核燃料的廢物管理機制有著密切的關係。乏核燃料中的錒系元素對燃料的長期放射性有著重要的影響。根據核反應堆的種類以及使用的燃料的類別，乏核燃料中的錒系元素的成分也會有所不同。

現在以含有釷的核燃料為例來說明這個問題。釷-232是一種增殖性材料，它可以通過中子俘獲和兩個β衰變從而產生裂變物質鈾-233。因此使用釷的核燃料循環所產生的乏核燃料會包含鈾-233，而這種物質的半衰期約為16萬年。鈾-233的的放射性衰變會強烈影響到乏核燃料的放射性曲線，影響時間長達一百萬年。右邊圖中顯示了在三種不同的乏核燃料中，鈾-233對放射性曲線的影響。這三種燃料分別是含有反應堆級鈽的釷燃料、含有核武器級鈽的釷燃料和混合氧化物燃料。對於含有鈽的兩種釷燃料，可以看到鈾-233的初始含量和它在大約十萬年內的衰變情況。混合氧化物的乏核燃料中缺少鈾-233，因此在圖中右下角的3區放射性比較低，而含有鈽的釷燃料由於含有未衰變完全的鈾-233，在此處仍有較強的放射性。

所以，不同的核反應堆使用不同的核燃料，因此產生的乏核燃料成分也不同，放射性曲線也不相同。

## 乏核燃料腐蝕

### 貴金屬納米粒子與氫

根據腐蝕電化學家的研究，鉬鎝釕鈀納米粒子對二氧化鈾的腐蝕有強烈的影響。這項工作認為，當氫（H2）的濃度較高時（氫在鋼製廢料容器厭氧腐蝕的過程中產生），它在納米粒子處的氧化會對二氧化鈾產生保護作用。這個作用可以認為是一種犧牲陽極的保護方法，只是這裡犧牲的陽極的並不是金屬，而是氫氣。

## 最終處理

核再處理可以從乏核燃料中分離出不同成分，如再處理鈾、鈽、次要錒系元素、裂變產物、核燃料封裝的鋯或鋼、放射性產物、以及在再處理過程中所添加的試劑等等。經過再處理後，需要遺棄的物質的體積將會大幅減少。

未經處理的乏核燃料也可以直接作為放射性廢物處理。

美國計劃在深層的地質結構中深埋這些放射性廢物，如絲蘭山核廢物儲藏所，它可以將核廢料封閉長達數千年之久，防止它們影響人類環境。然而，在2009年5月5日，美國能源部部長朱棣文在一次參議院聽證會上說，絲蘭山不再被看作是儲存反應堆廢料的方案。

關於核廢料最終安全的存儲方法至今（2017）仍沒有定論。德國與瑞士政府已經不再對進行核再處理。