贫铀材料在核电厂中应用探索展望

薛静 赵晓山

摘要：随着国内“碳中和”和“碳达标”的能源和环境发展需求，国内轻水堆批量化建造进程加快，而伴随燃料生产的贫铀储量则进一步增长，若能考虑在核电厂中对贫铀进行深层次技术开发，对缓解核燃料厂的贫铀贮存和处置压力、实现贫铀资源的充分利用有重要意义。

关键词：贫铀材料  核电站  规模化应用

1.背景

获取浓缩铀后剩余的产物称之为贫化铀或贫铀。在为核电站生产1t的U-235浓度为3%的核燃料的同时，将产生4.5t的贫铀。随着轻水堆核电站低浓燃料的生产，导致贫铀储量不断增加。20世纪70年代中期，美国的贫铀库存已达2.58*105吨，占世界贫铀存量的一半。随着国内能源需求增长和轻水堆核电站低浓燃料生产，我国的贫铀储量也不断增加。贫铀废物有一定的工业用途，但由于产量远大于利用量，贫铀的再循环利用和处置成为世界性难题，其存储成本和存储安全都是当前工厂所面临的巨大挑战，因此对贫铀进行深层次技术开发、实现和平利用的现实需求较为突出。

2.贫铀材料的特性

贫铀材料是分离浓缩铀后的副产品，235U含量低于0.711%。密度19.07g/cm3，是铅的1.7倍;熔点1132℃，表面处理后暴露于空气中状态稳定;具有良好的机械加工性能，其合金具有高延性、高韧性等特殊性能。贫铀辐射主要为α、β辐射，可通过表面电镀处理和外部包覆木质、铝制或钢制外壳进行屏蔽。

3.贫铀材料应用现状

贫铀材料可以分为两大类：贫铀金属材料和贫铀化合物材料[1]，[2]。

贫铀金属材料应用最为广泛，已研制并批量生产了多种规格的航天测高仪、医疗屏蔽体、放射源屏蔽罐等，每年产量达10余吨。美国、俄罗斯、日本、法国等国自1989年起就开展了贫铀金属材料作为乏燃料及高放废物贫铀屏蔽容器的可行性研究，设计并制备了2种高放废物的贫铀金属储存及处理容器，并对制备工艺、屏蔽性能、结构强度、接触处理，以及生产成本等进行了全面的分析。贫铀化合物以贫铀混凝土、屏蔽容器填充材料、处置库转化或回填材料等的形式作为屏蔽材料。国外已经开展了较为深入的基础及应用研究，但是国内研究工作还未见诸报道。综上，目前的贫铀材料应用主要是小批量定制，消耗量较小，同时对贫铀材料在各个领域的应用及实施方式研究较少。

4.贫铀在核电站中的应用场景展望

核电站反应堆及一回路冷却剂相关区域具有较高放射性，在核电站的设计中须对工作人员的辐射防护加以重点考虑，以保证人员的安全。当前的辐射防护手段主要包括集中布置高放射性区、设置过渡间、局部使用厚墙厚板和重混凝土等。由于混凝土的密度和屏蔽性能有限，因此当前核电站的辐射防护设计会导致核岛体量和混凝土用量大。贫铀材料具有优良的屏蔽性能和撞击防护性能，存在在核电站中大规模应用的可能性。

本文对贫铀在核电站中的应用场景展望如下：

4.1辐射屏蔽墙体替代

贫铀混凝土材料是将贫铀制成颗粒，用粘土、氧化硼、氧化铁和玄武岩等材料组成的无机黏合剂将其聚合成型，然后烧结形成骨料，再将其与传统混凝土成型材料（如水泥、沙子和水）相结合，形成一种超高密度贫铀混凝土（贫铀CRETE，也称为贫铀重混凝土）。其密度可达6.3g/cm3，与铸钢、铅、铁和贫铀金属屏蔽材料相比，超高密度混凝土的制造成本更低。超高密度贫铀混凝土对于γ射线的屏蔽能力优于不锈钢和混凝土材料，而中子屏蔽效果更优于其他几种屏蔽材料，整体的防护能力非常优秀。在相同屏蔽效果的情况下，超高密度贫铀混凝土（贫铀CRETE）的屏蔽体厚度是普通混凝土的三分之一，与碳钢材料基本相当。

4.2屏蔽容器

由于贫铀具有密度大、中子俘获截面大、熔点较高、辐照稳定、导热性能好、易加工等一些列优点，尤其对γ及X射线的吸收系数很强，是优良的屏蔽材料，在辐射防护方面的应用潜力巨大。采用贫铀制成的防护源灌质量只有铅质源灌的30%，适合制作需要屏蔽能力强，且安放地方小的屏蔽容器。

4.3特种门

在常温下，铀的物理及化学性质较为稳定，同时具备良好的力学性能以及机加工性能。由于核岛厂房在正常运行期间的环境温度保持在常温状态，因此贫铀可以作为良好的屏蔽材料。在做好材料表面对人体辐射和化学毒性防护的前提下，贫铀金属及其化合物是目前核岛厂房主要屏蔽材料铅砖、钢板的良好替代品，有利于优化屏蔽门、屏蔽墙的厚度、从而进一步优化核岛厂房空间。

4.4放射性液体储罐

常规的放射性液体罐需要考虑放射性液体对外的辐射防护以及罐体本身材料的耐腐蚀性、耐辐照性及力学性能。贫铀金属及其化合物可以有效解决放射性液体对外的辐射防护问题，且材料本身的辐照稳定性较好，具备长期稳定运行条件。建议其作为罐体壁的夹层材料，外部附以常规罐体金属壳，理论上可以应用于放射性液体罐。

4.5屏蔽盖板

核电站传统屏蔽盖板为混凝土和钢板混合材料，厚度和重量大，采用贫铀材料后可大幅降低盖板厚度和重量，有利于盖板的吊运。

4.6抗大飞机撞击

福清5、6号机组采用单独设置的钢筋混凝土APC壳实现抗商用大飞机撞击。APC壳厚墙厚较厚，对厂址地基条件的要求很高，对于地基承耐力不够的厂址可能存在厂房沉降的问题。贫铀材料硬度大、密度大，熔点高，厂房外墙和屋面采用贫铀混凝土材料或合金可大幅降低墙板厚度，减少混凝土用量，提高经济性。但由于贫铀自身有一定放射性，应用時须考虑加以屏蔽。

4.7防飞射物

贫铀合金由于其硬度大，可用作飞射物防护材料。既可以对转动设备进行外围包覆，也可以作为设备工艺间墙体内衬。

参考文献：

[1]葛鹏，贫铀材料的工业应用[J].新技术新工艺，2004，23（2）：36-37

[2]王玉敏，UC基贫铀硬质合金研制[J].原子能科学技术（增刊），2003（37）：111-113.