作者：刀口團隊 / 瀚海狼山

在有關(guān)核武器、核能,、甚至是核事故的新聞和資料中,，“核燃料棒”是一個非常常見的名詞。核燃料棒是什么？是一根真正的棒子嗎,？核燃料棒是如何發(fā)出核能的,？現(xiàn)在筆者就來粗略解釋一番。

在說核燃料棒以前,，我們先說說天然鈾礦,。因為天然鈾礦是所有核武器工業(yè)和核能工業(yè)的基礎(chǔ)礦藏。

天然鈾礦中的鈾,，是以固體化合物的形式,，儲存在地球地殼中，地球內(nèi)部的深處也有鈾,，但人類目前的技術(shù),，只能利用地表以下3000米以內(nèi)的淺地殼內(nèi)的天然鈾。天然鈾在地殼中的含量極低,，不到百萬分之2.5,，比所謂珍貴的金礦的含量還低幾個數(shù)量級。因此天然鈾礦非常珍貴和罕見,。世界上天然鈾礦儲量最大的國家是澳大利亞,，其次是加拿大和哈薩克斯坦,，中國的天然鈾礦儲量相對國土面積屬于比較貧乏,；當(dāng)然，美國國土內(nèi)的天然鈾礦儲量也不高,，中美的核電站,，未來都需要進(jìn)口部分鈾礦石。

天然鈾礦結(jié)晶,，一般呈現(xiàn)灰綠色或者黃綠色,，其中主要可利用的成分是鈾235，天然鈾的鈾235富集度為0.714%,，其他99%,，是不能再裂變利用的鈾238，這就是經(jīng)常被提到的貧鈾,，貧鈾可以用來做彈芯和貧鈾裝甲,，但貧鈾不可能百分百的被提純，里面仍然混雜含量為千分之幾的鈾235,，仍然具有放射性,，因此利用貧鈾的風(fēng)險較大。

這里必須說明,，天然鈾礦和鈾礦石都具有放射性,，但這種天然的放射性，并不是特別嚴(yán)重。大型天然鈾礦周邊,，仍然會正常的生長動植物和有人類生存,，并不會因為某地出產(chǎn)天然鈾礦，而導(dǎo)致這個礦周邊幾十里寸草不生,。只有通過專用的放射性檢查儀器,，才能發(fā)現(xiàn)鈾礦床附近的放射指標(biāo)，高于沒有放射性礦物的地區(qū),。

有鈾礦床的地區(qū),，放射指標(biāo)只會比普通地區(qū)高一到兩倍，對常年居住在此的人類的影響非常有限,。只是一些和放射性有關(guān)聯(lián)的疾病,，略微比其他地區(qū)高。比如,，假設(shè)正常地區(qū)的出現(xiàn)白血病患者的概率是每十萬人3例,。那么鈾礦附近居民的患病概率是每十萬人4例左右。

因為天然鈾礦的放射性較低,，開采和提煉過程,，對直接接觸鈾礦石的礦工影響也有限，只需正常穿戴工作服和口罩,，就可以起到較好的防護(hù)作用,。

新中國剛剛成立的五十年代，在全國大規(guī)模普查天然鈾礦,，曾經(jīng)在廣西某地最早發(fā)現(xiàn)了天然鈾礦的原石,，這塊礦石被稱為中國核工業(yè)的“開業(yè)之石”。并且這塊石頭,，被迅速送到北京懷仁堂,，給包括毛主席、周總理在內(nèi)的最高層現(xiàn)場觀看,。這個故事也說明天然鈾礦放射性很低,，對人類是基本安全的。

天然鈾礦石之所以相對安全,，在于天然鈾（有多種同位素）的半衰期是以7億到幾十億年來計算,。天然鈾在地球形成后就開始衰變，到現(xiàn)在放射性已經(jīng)很低,。天然鈾主要對外偶然性地釋放阿爾法射線,，這種射線其實就是氫原子的質(zhì)子核。只需一張A4紙,，就可以擋住阿爾法射線,。而人的衣服和皮膚都完全可以隔絕阿爾法射線,。不會對人體內(nèi)部組織造成影響。

天然鈾礦被開采出來以后,，初加工多采用“水冶法”提煉,。通俗的講，就是“加入其他配料水煮”,，加工后得到的產(chǎn)品一般是重鈾酸銨,，呈現(xiàn)黃色塊狀或者粉末狀，俗稱“黃餅”,。黃餅的放射性仍然較低,，加工工人仍然只需穿戴防護(hù)級別較低的工作服。

黃餅提純后,，再被送到專門的鈾濃縮工廠,，加工成六氟化鈾，采用氣體離心機提高純度,。當(dāng)鈾濃度被提高到4%左右,，再把這種鈾混合物粉末，燒結(jié)成的二氧化鈾陶瓷芯塊（相當(dāng)于把陶土燒成陶瓷）,。鈾瓷芯塊為直徑1厘米,，高度1厘米的圓柱體。幾百個芯塊疊在一起裝入直徑1厘米,，長度約4米,，厚度為1毫米左右的細(xì)長鋯合金材料套管內(nèi)，最終制成一根可以進(jìn)入反應(yīng)堆進(jìn)行“核燃燒”的燃料棒,。

加工后的二氧化鈾陶瓷塊的放射性仍然不高,，甚至還可以被加工工人用手直接拿起了,。

打個通俗的比喻：若我們把二氧化鈾燃料塊,，看做一塊還沒有放進(jìn)爐子里燃燒的“煤塊”，那么這種“煤塊”,，即不燙手也不會燙人——即輻射性仍然較低,。但一旦把這些“煤塊”放進(jìn)核爐子里（即反應(yīng)堆）中“點燃”，被燒的通紅,，那么他們就非常危險了,，絕對不能再直接無防護(hù)接近。因為輻射性被“點燃了”,，而且核反應(yīng)后的燃料棒里,，將產(chǎn)生非常多的具有極強放射性的新元素，比如鐳,、钚,、鈷等等,！切爾諾貝利和日本福島的核事故之所以致命，就是因為他們都是在大批核燃料棒被燒的通紅,，放射性最強的時刻,，被炸的到處都是！

即使把取出的乏燃料棒冷卻幾年,，仍然具有很強的放射性——等于這些特殊的“煤塊”,，一旦被點燃，是很難自然熄滅的,。這么理解,，就比較容易。

反應(yīng)堆中的核燃料棒,，是先幾十根集中在一起,，放入一個長方框框架束縛起來，再把多個方框排列好,，依次放入反應(yīng)堆的核心,。可以理解成“把多根柴捆綁成一捆柴”,，然后再把157或者177捆柴火,，一起豎著放進(jìn)“爐膛里燃燒”。

這些燃料棒群中間,，還穿插插入石墨減速棒群,。石墨可以吸收中子，根據(jù)插入的深淺,，決定核反應(yīng)的核反應(yīng)功率——若石墨棒全部升起（抽出）,，則反應(yīng)堆進(jìn)入全功率核反應(yīng)，但由于鈾濃度很低,，也不到臨界體積,，并不會引發(fā)原子彈式的核爆炸。

若把石墨棒群完全插入燃料棒群之間,，則反應(yīng)堆會很快停止鏈?zhǔn)椒磻?yīng),，這就是停堆。

停堆又分為緊急停堆和換料停堆,。緊急停堆是由于自然災(zāi)害或者事故發(fā)生,；而換料是正常停堆。停堆后,，打開反應(yīng)堆核心容器的上蓋,，再用反應(yīng)堆上方的吊車，將燃料棒方框一塊塊抽出,、吊起來,，再移入冷卻水池冷卻,，然后給堆芯裝入全新的燃料棒方框。民用核電站的每個反應(yīng)堆,，一兩年內(nèi)就要全面更換新的燃料棒,。

我們都知道，點煤爐子要用引火柴,。核反應(yīng)堆同樣需要最初的“點燃棒”,，這就是采用一根或者幾根鈾濃度達(dá)到10—20%的特殊燃料棒，插入低濃度的燃料棒中間,，“點燃”其他燃料棒,。其原理是，利用高濃度燃料棒產(chǎn)生的頻率更高的中子輻射,，來引發(fā)其他燃料棒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),，很像點煤爐子用木柴引燃。

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