貧鈾材料在核電廠中應用探索展望

薛靜 趙曉山

摘要：隨著國內“碳中和”和“碳達標”的能源和環境發展需求，國內輕水堆批量化建造進程加快，而伴隨燃料生產的貧鈾儲量則進一步增長，若能考慮在核電廠中對貧鈾進行深層次技術開發，對緩解核燃料廠的貧鈾貯存和處置壓力、實現貧鈾資源的充分利用有重要意義。

關鍵詞：貧鈾材料? 核電站? 規模化應用

1.背景

獲取濃縮鈾后剩余的產物稱之為貧化鈾或貧鈾。在為核電站生產1t的U-235濃度為3%的核燃料的同時，將產生4.5t的貧鈾。隨著輕水堆核電站低濃燃料的生產，導致貧鈾儲量不斷增加。20世紀70年代中期，美國的貧鈾庫存已達2.58*105噸，占世界貧鈾存量的一半。隨著國內能源需求增長和輕水堆核電站低濃燃料生產，我國的貧鈾儲量也不斷增加。貧鈾廢物有一定的工業用途，但由于產量遠大于利用量，貧鈾的再循環利用和處置成為世界性難題，其存儲成本和存儲安全都是當前工廠所面臨的巨大挑戰，因此對貧鈾進行深層次技術開發、實現和平利用的現實需求較為突出。

2.貧鈾材料的特性

貧鈾材料是分離濃縮鈾后的副產品，235U含量低于0.711%。密度19.07g/cm3，是鉛的1.7倍;熔點1132℃，表面處理后暴露于空氣中狀態穩定;具有良好的機械加工性能，其合金具有高延性、高韌性等特殊性能。貧鈾輻射主要為α、β輻射，可通過表面電鍍處理和外部包覆木質、鋁制或鋼制外殼進行屏蔽。

3.貧鈾材料應用現狀

貧鈾材料可以分為兩大類：貧鈾金屬材料和貧鈾化合物材料[1]，[2]。

貧鈾金屬材料應用最為廣泛，已研制并批量生產了多種規格的航天測高儀、醫療屏蔽體、放射源屏蔽罐等，每年產量達10余噸。美國、俄羅斯、日本、法國等國自1989年起就開展了貧鈾金屬材料作為乏燃料及高放廢物貧鈾屏蔽容器的可行性研究，設計并制備了2種高放廢物的貧鈾金屬儲存及處理容器，并對制備工藝、屏蔽性能、結構強度、接觸處理，以及生產成本等進行了全面的分析。貧鈾化合物以貧鈾混凝土、屏蔽容器填充材料、處置庫轉化或回填材料等的形式作為屏蔽材料。國外已經開展了較為深入的基礎及應用研究，但是國內研究工作還未見諸報道。綜上，目前的貧鈾材料應用主要是小批量定制，消耗量較小，同時對貧鈾材料在各個領域的應用及實施方式研究較少。

4.貧鈾在核電站中的應用場景展望

核電站反應堆及一回路冷卻劑相關區域具有較高放射性，在核電站的設計中須對工作人員的輻射防護加以重點考慮，以保證人員的安全。當前的輻射防護手段主要包括集中布置高放射性區、設置過渡間、局部使用厚墻厚板和重混凝土等。由于混凝土的密度和屏蔽性能有限，因此當前核電站的輻射防護設計會導致核島體量和混凝土用量大。貧鈾材料具有優良的屏蔽性能和撞擊防護性能，存在在核電站中大規模應用的可能性。

本文對貧鈾在核電站中的應用場景展望如下：

4.1輻射屏蔽墻體替代

貧鈾混凝土材料是將貧鈾制成顆粒，用粘土、氧化硼、氧化鐵和玄武巖等材料組成的無機黏合劑將其聚合成型，然后燒結形成骨料，再將其與傳統混凝土成型材料（如水泥、沙子和水）相結合，形成一種超高密度貧鈾混凝土（貧鈾CRETE，也稱為貧鈾重混凝土）。其密度可達6.3g/cm3，與鑄鋼、鉛、鐵和貧鈾金屬屏蔽材料相比，超高密度混凝土的制造成本更低。超高密度貧鈾混凝土對于γ射線的屏蔽能力優于不銹鋼和混凝土材料，而中子屏蔽效果更優于其他幾種屏蔽材料，整體的防護能力非常優秀。在相同屏蔽效果的情況下，超高密度貧鈾混凝土（貧鈾CRETE）的屏蔽體厚度是普通混凝土的三分之一，與碳鋼材料基本相當。

4.2屏蔽容器

由于貧鈾具有密度大、中子俘獲截面大、熔點較高、輻照穩定、導熱性能好、易加工等一些列優點，尤其對γ及X射線的吸收系數很強，是優良的屏蔽材料，在輻射防護方面的應用潛力巨大。采用貧鈾制成的防護源灌質量只有鉛質源灌的30%，適合制作需要屏蔽能力強，且安放地方小的屏蔽容器。

4.3特種門

在常溫下，鈾的物理及化學性質較為穩定，同時具備良好的力學性能以及機加工性能。由于核島廠房在正常運行期間的環境溫度保持在常溫狀態，因此貧鈾可以作為良好的屏蔽材料。在做好材料表面對人體輻射和化學毒性防護的前提下，貧鈾金屬及其化合物是目前核島廠房主要屏蔽材料鉛磚、鋼板的良好替代品，有利于優化屏蔽門、屏蔽墻的厚度、從而進一步優化核島廠房空間。

4.4放射性液體儲罐

常規的放射性液體罐需要考慮放射性液體對外的輻射防護以及罐體本身材料的耐腐蝕性、耐輻照性及力學性能。貧鈾金屬及其化合物可以有效解決放射性液體對外的輻射防護問題，且材料本身的輻照穩定性較好，具備長期穩定運行條件。建議其作為罐體壁的夾層材料，外部附以常規罐體金屬殼，理論上可以應用于放射性液體罐。

4.5屏蔽蓋板

核電站傳統屏蔽蓋板為混凝土和鋼板混合材料，厚度和重量大，采用貧鈾材料后可大幅降低蓋板厚度和重量，有利于蓋板的吊運。

4.6抗大飛機撞擊

福清5、6號機組采用單獨設置的鋼筋混凝土APC殼實現抗商用大飛機撞擊。APC殼厚墻厚較厚，對廠址地基條件的要求很高，對于地基承耐力不夠的廠址可能存在廠房沉降的問題。貧鈾材料硬度大、密度大，熔點高，廠房外墻和屋面采用貧鈾混凝土材料或合金可大幅降低墻板厚度，減少混凝土用量，提高經濟性。但由于貧鈾自身有一定放射性，應用時須考慮加以屏蔽。

4.7防飛射物

貧鈾合金由于其硬度大，可用作飛射物防護材料。既可以對轉動設備進行外圍包覆，也可以作為設備工藝間墻體內襯。

參考文獻：

[1]葛鵬，貧鈾材料的工業應用[J].新技術新工藝，2004，23（2）：36-37

[2]王玉敏，UC基貧鈾硬質合金研制[J].原子能科學技術（增刊），2003（37）：111-113.