• 中文名稱

  核燃料MOX

• 首次使用

  1963年

• 構(gòu)成

  UO2和PUO2

• 普遍利用

  20世紀80年代

折疊編輯本段增殖反應(yīng)

福島核電站3號機組使用的核燃料是鈾钚混合氧化物(MOX)，核電站發(fā)電使用后的燃料叫乏燃料，乏燃料中含有未被用盡的鈾和產(chǎn)生的钚，MOX燃料就是通過把乏燃料中含有的鈾和钚經(jīng)過處理后提取出來做成的，這種做法可以大大提高天然鈾資源的利用率，從而提高核電站的經(jīng)濟效益。最初利用鈾的鏈式反應(yīng)生產(chǎn)钚是為了軍事目的，即生產(chǎn)核武器。但隨著高富集鈾生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展以及钚量的增加，钚除用于制備核武器外，還可以制成核燃料，用作和平目的，其中最有效的利用就是钚鈾混合氧化物燃料，即MOX燃料。每年全世界大約有70噸可用來生產(chǎn)MOX燃料的钚被當作核廢料傾倒，其中2/3的物質(zhì)具有放射性?？於阎谐Ｓ玫暮巳剂鲜穷?39，而钚239發(fā)生裂變時放出來的快中子會被裝在反應(yīng)區(qū)周圍的鈾238吸收，又變成钚239。這就是說，在堆中一邊消耗钚239，又一邊使鈾238轉(zhuǎn)變成新的钚239，而且新生的钚239比消耗掉的還多，從而使堆中核燃料變多，實現(xiàn)增殖。

目前，各國發(fā)展的主要是用MOX作燃料，用液態(tài)鈉作冷卻劑的快中子增殖堆，它的倍增時間是30多年。也就是說，只要添加鈾238，每過30多年，快堆核電站就可翻一番。理論上快堆可以將鈾238、鈾235及钚239全部加以利用，并將鈾的利用率提高到60%-70%，比熱堆中的壓水堆高140倍，比重水堆高70倍以上。20世紀60年代，比利時、法國、美國、意大利、德國、日本和印度等國紛紛建立實驗室，開發(fā)供增殖快堆使用的MOX燃料，1970-1985年國際上形成了快堆MOX燃料的研究高潮。支持MOX燃料快堆的科學(xué)家認為，自然界中存在的易裂變鈾235的量很少，僅占鈾總量的0.7%左右，依照目前全世界核電廠的發(fā)展速度，鈾235用完是遲早的事，因此必須在這之前找到鈾235的替代燃料。快堆因為能利用另外99%的鈾238，大大增加了核燃料的量。而反對的一方則認為，發(fā)展MOX燃料快堆首先增加了核擴散的風(fēng)險，因為它涉及了從乏燃料中提取钚239的技術(shù)，這樣的技術(shù)恰恰可以用來制造核武器，因此美國和歐盟的一些國家對這項技術(shù)十分敏感。其次，快堆的經(jīng)濟性一直沒有得到證實。從目前來看，從乏燃料中提取钚239所花費的錢要比它生產(chǎn)能源所掙的錢更多，因此從經(jīng)濟上來說是不劃算的。雖然自然界中鈾235的含量很少，但現(xiàn)在我們開采的大多是高品位富鈾礦中的鈾235，而低含量低品位的鈾礦則很少開采。到富鈾礦中的鈾235用完之時，開采低品位鈾礦的技術(shù)應(yīng)該已經(jīng)發(fā)展成熟，所以屆時還輪不上钚239展身手。而當?shù)推肺烩櫾俦挥猛曛畷r，那時的世界早已是另一番景象，核能已被更高科技的能源技術(shù)所取代。

MOX是通過"燃燒"反應(yīng)堆乏燃料中存留的钚以提供能源和發(fā)電的一種途徑。MOX提供了當前使用的新燃料的20%，并且這一比例仍在不斷上升。MOX還提供了一種燃燒武器級钚以生產(chǎn)電力的方法。

在每一座反應(yīng)堆內(nèi)，都有諸如鈾-235等同位素的裂變，和由于主要是鈾-238俘獲中子而形成新的較重的同位素。反應(yīng)堆內(nèi)絕大部分燃料物質(zhì)是鈾-238。它能形成钚-239，并通過連續(xù)的中子俘獲形成钚-240、钚-241和钚-242，以及其它的超鈾或錒系同位素。(鈾-235通過類似過程還形成了非常少量的钚-236和钚-238。)

通常，隨著燃料每3年變換一次，絕大部分钚-239都在反應(yīng)堆內(nèi)得到"燃燒"。其行為與鈾-235相似，裂變也釋放出同等的能量。燃耗度越高，乏燃料中存留的钚就越少，但通常反應(yīng)堆卸出的乏燃料中存留有約1%的钚，其中的2/3就是钚-239。全世界每年產(chǎn)生近100噸存留于乏燃料中的钚。

折疊編輯本段燃料再循環(huán)

第一步是將钚與存留的鈾(約占乏燃料的96%)和裂變產(chǎn)物以及其他廢物(共占約3%)分離。這一工作在后處理工廠進行。

钚，作為氧化物，隨后和濃縮工廠留下的貧化鈾混合形成新的混合氧化物燃料(MOX，UO2+PuO2)。MOX燃料，由貧化鈾和約占7%的钚混合而成，假定這些钚中钚-239約占65%，這種MOX燃料就相當于鈾-235濃度約4.5%的鈾氧化物燃料。如果使用武器拆卸得到的钚(钚-239超過90%)，這種混合結(jié)構(gòu)中僅需要約5%的钚。

乏燃料后處理得到的钚通常盡可能快地用于制造MOX，以避免短壽期的钚同位素的衰變。特別是钚-241向強γ輻射源镅-241的衰變，在分離出5年后的钚由于常規(guī)MOX工廠時將增大潛在的職業(yè)健康危害。貯存的钚中镅-241的水平以每年0.5%的速度增長。钚-239、钚-240和钚-242都是長壽期，因此在長期貯存中變化很校钚-238是強α輻射源和自生中子源，所以在高燃耗燃料中變得非常重要。

快中子反應(yīng)堆允許钚不受限制的再循環(huán)，而熱中子反應(yīng)堆由于所有的同位素都是可裂變的，同位素降級限制了钚循環(huán)的潛力。

從后處理工廠得到的再循環(huán)鈾被單獨再提濃，作為新燃料使用。由于其中含有部分吸收中子的鈾-234和鈾-236，其濃縮水平稍稍高于開采出的提供相當燃料的鈾。

折疊編輯本段MOX使用

MOX首次用于熱中子堆是在1963年，但直到20世紀80年代才得到普遍利用。

今天，MOX在歐洲得到了廣泛地利用，并且日本已經(jīng)計劃進行利用。歐洲有30座反應(yīng)堆裝載了MOX燃料，還有20座已經(jīng)得到使用許可證或正在許可證審批程序中。大部分反應(yīng)堆用1/3的堆芯裝載MOX，而有些反應(yīng)堆將接收高達50%的MOX組件。法國的目標是其所有的900Mwe系列反應(yīng)堆使用至少1/3的MOX組件運行。日本的目標是到2010年有1/3的反應(yīng)堆使用MOX，并已批準新建1座完全裝載MOX燃料的反應(yīng)堆。

MOX的利用并不改變反應(yīng)堆的運行特性，雖然電站必須設(shè)計或稍做改動以使用MOX。需要更多的控制棒。對于50%以上的MOX裝載，需要進行重大改變，并且反應(yīng)堆需要進行相應(yīng)的設(shè)計。

MOX的優(yōu)勢之一是通過增加一點钚就能夠輕松地提高燃料中易裂變物質(zhì)濃度，而將鈾濃縮至高水平的鈾-235則相對昂貴。鑒于反應(yīng)堆運營者們尋求的是燃料的更深度和更長期的燃燒，將幾年前的每噸約3萬MW·日的燃耗提高到現(xiàn)在的每噸5萬MW·日以上，MOX的利用就變得更加有吸引力。

鑒于鈾價格的低廉，后處理分離钚制造MOX進行再循環(huán)本身并不經(jīng)濟，但算上減少了要進行管理的乏燃料的體積，就變得十分便宜了。7個UO2燃料組件生成1個MOX組件和一些玻璃固化高放廢物，其結(jié)果是只占乏燃料處置的體積、數(shù)量和費用的35%。

折疊編輯本段MOX生產(chǎn)

目前有3座工廠生產(chǎn)商業(yè)性MOX燃料。法國有2座，比利時有1座，正在調(diào)試的第4座(120噸/年)位于英國。

一個跨國財團正在俄羅斯建造1座MOX工廠，專門利用武器級钚(2噸/年)，并已建議在美國建造1座同類工廠。這些工廠將使脫離軍事用途的钚由于在反應(yīng)堆內(nèi)"燃燒"而被永久性地銷毀。

有幾個國家在快中子反應(yīng)堆內(nèi)也使用MOX，特別是法國和俄羅斯。這是第一次被開發(fā)用于此目的，美國、英國、法國、德國、比利時和日本正在進行試驗工作。

目前后處理工廠的產(chǎn)出超過了钚在MOX中的使用速度，結(jié)果是有幾個國家擁有钚庫存。預(yù)計這些庫存在2005年隨著MOX使用的增加而下降之前將達到近200噸。到2010年，預(yù)計用于MOX的钚的生產(chǎn)和使用總體上將會更多，除非MOX燃料本身也進行后處理。

折疊編輯本段燃料供應(yīng)

2008年4月底，法國阿海琺集團(Areva)與日本關(guān)西電力公司(Kansai)簽署合同，為高浜(Takahama)核電站供應(yīng)混合氧化物(MOX)燃料。

根據(jù)合同，Areva將為高浜核電站3、4號機組提供16組MOX燃料組件。同時，關(guān)西電力選擇日本原子燃料工業(yè)株式會社(NFI)作為該項合同的參與方。近期，Areva與日本電力企業(yè)連續(xù)簽署了幾項協(xié)議與合同，總價約20億歐元(32億美元)。

Areva在阿格(LaHague)后處理廠對關(guān)西電力的筏燃料進行后處理回收得到钚，然后在Melox設(shè)施進行再循環(huán)，之后以MOX燃料的形式運回關(guān)西電力。Areva表示，這項合同是日本再循環(huán)計劃的繼續(xù)。2006年，Areva已與中部電力(Chubu)、九州電力(Kyushu)、四國電力(Shikoku)等3家日本電力公司簽署MOX燃料供應(yīng)協(xié)議。

日本電氣事業(yè)聯(lián)合會(FEPC)此前表示，根據(jù)"钚熱"計劃，日本全部9家電力公司將從2010年開始在16~18座反應(yīng)堆中使用MOX燃料。預(yù)計每年將有6噸左右的裂變钚裝入發(fā)電反應(yīng)堆中。同時，利用日本乏燃料送往歐洲進行后處理分離出的約40噸反應(yīng)堆級钚制造的MOX燃料也可能得到應(yīng)用。不過，由于日本相關(guān)地方對MOX燃料利用的擔憂延緩了1994年钚熱計劃的實施。

MOX由鈾氧化物和钚氧化物混合構(gòu)成，是從乏燃料中回收得到。比利時、法國、德國、瑞士由超過30座發(fā)電反應(yīng)堆在使用MOX燃料，通常MOX燃料占全堆芯燃料的1/3。部分機組可以使用50%比例的MOX燃料，還有的先進設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)100%的MOX燃料堆芯。2008年4月23日獲準開工的日本大間核電站就是采用了全MOX燃料堆芯設(shè)計。

折疊編輯本段主要爭議

快堆是實現(xiàn)核燃料增值、提高鈾資源利用率、減少長壽命核素的最重要途徑。20世紀60年代，比利時、法國、美國、意大利、德國、日本和印度等國紛紛建立實驗室，開發(fā)供增殖快堆使用的MOX燃料。1970-1985年國際上形成了快堆MOX燃料的研究高潮。截至80年代末，大多數(shù)建成的快中子堆(包括實驗、原型和難證堆)都成功地使用了MOX燃料。目前，全世界有20多個快中子堆裝載了MOX燃料。

在MOX燃料廠的建設(shè)方面，截至2008年，國際上共建造了24座MOX燃料廠，生產(chǎn)能力為每年213噸，其中LWR-MOX燃料廠(輕水堆-MOX燃料廠)的FBR-MOX燃料廠(快堆-MOX燃料廠)各占一半。到2012年，預(yù)計世界上主要的LWR-MOX燃料生產(chǎn)國法國、日本、英國的年生產(chǎn)能力將達195噸、130噸以及40噸。

支持MOX燃料快堆的科學(xué)家認為，自然界中存在的易裂變鈾235的量很少，僅占鈾總量的0.7%左右，依照目前全世界核電廠的發(fā)展速度，鈾235用完是遲早的事，因此必須在這之前找到鈾235的替代燃料?？於岩驗槟芾昧硗?9%的鈾238，大大增加了核燃料的量。因此，這一思路得到一些學(xué)者的支持。

而反對的一方則認為，發(fā)展MOX燃料快堆首先增加了核擴散的風(fēng)險，因為它涉及了從乏燃料中提取钚239的技術(shù)，這樣的技術(shù)恰恰可以用來制造核武器，因此美國和歐盟的一些國家對這項技術(shù)十分敏感。其次，快堆的經(jīng)濟性一直沒有得到證實。從目前來看，從乏燃料中提取钚239所花費的錢要比它生產(chǎn)能源所掙的錢更多，因此從經(jīng)濟上來說是不劃算的。雖然自然界中鈾235的含量很少，但現(xiàn)在我們開采的大多是高品位富鈾礦中的鈾235，而低含量低品位的鈾礦則很少開采。到富鈾礦中的鈾235用完之時，開采低品位鈾礦的技術(shù)應(yīng)該已經(jīng)發(fā)展成熟，所以屆時還輪不上钚239展身手。而當?shù)推肺烩櫾俦挥猛曛畷r，那時的世界早已是另一番景象，核能已被更高科技的能源技術(shù)所取代，钚也許就永無出頭之日了。

折疊編輯本段核彈謠言

在這次福島核危機期間的另外一個謠言就是，日本核電站使用MOX核燃料，為日后的核武生產(chǎn)儲備钚。但實際上核燃料MOX的主要作用是建立核燃料循環(huán)利用，節(jié)省寶貴的天然鈾資源;次要作用是防止钚的擴散，與謠言的觀點"為核武生產(chǎn)儲備钚"恰恰相反!

钚240對核武制造的影響

折疊钚240對核武制造的影響

首先需要了解钚原子彈的制備流程。眾所周知，二戰(zhàn)末期，美國在日本的廣島和長崎投下了兩顆原子彈，其中在長崎投下名為"胖子"的原子彈是一顆钚彈，其裂變物質(zhì)為钚239，而鈾原子彈的裂變物質(zhì)是鈾235。很多人亦清楚，天然鈾存在鈾235、鈾238等鈾的同位素，其中只有鈾235容易裂變，所以要將天然鈾中的鈾235提純至90%以上才可以制成實用化的原子彈。而钚在自然界是不存在的，由鈾235和鈾238在反應(yīng)堆中生成，钚同樣存在钚238、钚239、钚240、钚242等多種同位素，但現(xiàn)在幾乎沒有任何一份中文科普資料說明過這些钚同位素對制造钚原子彈的影響。

根據(jù)國際原子能(IEAE)的資料，制造原子彈所關(guān)心的問題是，钚238、钚240比起钚239具有很高的自發(fā)衰變中子數(shù)、衰變熱和強輻射。高自發(fā)衰變中子數(shù)可以導(dǎo)致鏈式反應(yīng)提前點火，高衰變熱和強輻射會使得原子彈的制造加工和保存變得非常復(fù)雜。钚240還存在核爆炸臨界質(zhì)量高的問題。簡而言之，如果钚238、钚240含量過高，就會在殺死敵人之前，強輻射先殺傷己方的制造工人和士兵，難以控制自衰變熱和高自發(fā)衰變中子數(shù)甚至?xí)?dǎo)致在己方倉庫里爆炸，根本不是一顆實用化的原子彈。

日本目前儲存的钚不適合用于核武制造

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那么可制成實用化原子彈的钚是怎么制造出來的呢?現(xiàn)在的方法主要是采用重水反應(yīng)堆(HWR)，即采用重水作為中子慢化劑的反應(yīng)堆。與普通水(稱為輕水)相比，重水可以降低中子速度，并且不吸收中子。這種特征更容易觸發(fā)鈾235的裂變，并且使生成的钚中更多的是钚239。

而日本商用核電站所采用的都是輕水反應(yīng)堆(LWR，包括沸水堆BWR和壓水堆PWR)。輕水堆使用過的核燃料棒(乏燃料棒)中的钚，一般而言，钚240的含量為18~30%，并不適合用于制造原子彈。當然，日本人可以將核燃料棒短時間使用后即從反應(yīng)堆中卸出，這樣可以得到等級稍高的钚。但日本的核設(shè)施都在IEAE的監(jiān)管之下，而IEAE從來沒有作出過日本非常規(guī)使用核燃料棒、或擁有秘密核設(shè)施的報告。

所以，日本現(xiàn)儲存的大量經(jīng)分離和未分離的钚是不適合用于核武制造的。不僅僅是現(xiàn)在出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)謠言，在過去的中文出版物中，也有不少在這個問題上誤導(dǎo)了公眾。

MOX燃料主要作用是充分利用核資源

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前面已經(jīng)數(shù)次提到了MOX燃料，其中文譯名為"鈾钚混合陶瓷燃料元件"。MOX燃料中的鈾和钚來源于商用反應(yīng)堆的低濃鈾乏燃料棒(乏燃料棒是指使用過的燃料棒)。低濃鈾乏燃料棒在使用過后，元件中一般有約3%的有害物質(zhì)，通過分離，將其中97%的鈾钚分離回收，可以再制成供商用輕水反應(yīng)堆使用的MOX燃料。

在人類社會對電力需求不斷擴大的今天，MOX燃料的好處是非常明顯的。因為世界范圍內(nèi)已探明的天然鈾資源是有限的，此前的測算結(jié)果是不足人類使用100年。所以核工業(yè)界早就開始尋求對核燃料的循環(huán)使用，因為乏燃料棒中的鈾235燃燒得并不充分，通過對乏燃料棒的處理可以將未燃燒的鈾235提取出來再次使用。而乏燃料棒中還存在钚239，制備MOX燃料就是將這部分钚239也充分利用起來。

核電比例最高的法國率先推廣MOX燃料，其第一家MOX燃料工廠在1961年就投入運行。目前在法國、英國和比利時共有4家MOX燃料工廠，年產(chǎn)量超過188噸。日本的MOX燃料就分別來源于英國MDF廠和法國MELOX廠，與此同時也在籌建MOX燃料工廠，預(yù)計2015年建成?，F(xiàn)在MOX燃料的推廣受到制造成本影響，但隨著天然鈾的逐漸稀缺，MOX燃料的份額有望進一步提升。

MOX燃料可以防止钚擴散

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MOX燃料帶來的好處不僅限于充分利用核燃料。從反應(yīng)堆卸出的乏燃料棒一直是核工業(yè)界和國際原子能機構(gòu)頭疼的問題，因為乏燃料棒含有大量放射性物質(zhì)，之前需要處理后深埋。而MOX燃料出現(xiàn)后，大量乏燃料棒可用于制作MOX燃料，能夠大大減小廢物體積，可以降低處理成本、更好地保護環(huán)境。而更讓國際原子能機構(gòu)高興的是，乏燃料棒制成MOX燃料，再次進入反應(yīng)堆燃燒后，其中所含的钚已沒任何制成原子彈的可能，可以大大節(jié)省監(jiān)控成本。

另外，MOX燃料為處理退役核彈也提供了唯一出路。美俄兩國在1991年和1993年分別簽署兩次核裁軍協(xié)議，拆毀了數(shù)以千計的核武器，兩國共得到100噸武器級钚。這些武器級钚如果全部儲存起來，會為日后帶來核擴散風(fēng)險，可能落入恐怖分子手中。而將這些武器級钚，混入從乏燃料棒提取的鈾钚中，制成MOX燃料，經(jīng)過反應(yīng)堆使用后，就會消除其軍用風(fēng)險。所以在1997年，美國宣布與法國、英國、比利時合作，在15年內(nèi)將50噸武器級钚制成MOX燃料。

所以，MOX燃料不僅不會成為制造核武的渠道，而恰恰是銷毀武器級钚的最佳途徑。當然，MOX燃料的高自衰變熱確實對福島第一核電站3號堆的搶救造成了困難，但這已經(jīng)是核電站運行的安全問題了，與核武器無關(guān)。