贫化UF6(DUF6)是铀浓缩生产过程中产生的贫料，其产生量随着铀浓缩生产逐年增加，我国目前产生的DUF6均储存在各铀浓缩公司。由于DUF6化学性质活泼，发生泄漏后会造成辐射和化学双重危害。世界上从事铀浓缩生产的国家都高度重视DUF6的安全储存，并积极开展DUF6有效利用方面的研究。为了消除DUF6长期储存带来的腐蚀泄漏等安全隐患，美国、法国、俄罗斯等国家已经建立DUF6转化生产线，将其转化为适合安全储存的铀化合物，同时探索研究DUF6转化产品资源化再利用的潜在途径。
DUF6有多种转化方案，转化产品包括贫铀产品和氟产品，贫铀产品主要有金属铀、四氟化铀、八氧化三铀和二氧化铀，氟产品主要有无水氢氟酸(AHF)、氢氟酸和氟化物等[1]。本文通过研究DUF6及其转化产品在核工业和其他领域的潜在应用，分析我国DUF6及其转化产品的再利用路线。
1 材料与方法 1.1 核工业领域的应用 1.1.1 用于核燃料生产DUF6由于其中的235U丰度过低，无法在当前技术下继续用于核燃料生产。如果采用激光浓缩法可将DUF6进一步浓缩到核电站燃料所需的丰度[2]，但是激光浓缩技术目前尚不具备商业化运行的条件。还可以通过将DUF6与高浓铀混合调配成适合核电站燃料制造的低浓铀，高浓铀通常来自核武器生产用铀，其可用量非常少[2]，只有美国和俄罗斯为了处理核武器中的高浓铀开展过相关的活动[3-4]。此外，快堆燃料元件再生区，以及MOX燃料中都会用到DUO2[2]。
1.1.2 辐射屏蔽产品贫铀的密度很高，利用该特点可将其作为屏蔽材料。使用贫铀化合物作为混凝土的粗骨料，可以制作重混凝土。同样屏蔽性能的贫铀混凝土，其厚度仅为普通混凝土材料的一半左右。
DUCRETE(depleted uranium concrete) [5]是由贫化二氧化铀颗粒烧结成的DUAGG(depleted uranium aggregate)骨料与水泥、沙子和水制成。DUCRETE是一种高密度混凝土，其理论密度可达7.2 g/cm3[6]，具有很好的伽马屏蔽和中子慢化性能。而且DUCRETE中铀的浸出率也远低于DUAGG和铀的化合物[6]，见表 1。
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表 1 几种常见含铀物质的浸出试验结果 |
核电厂产生的乏燃料在处理或处置前，通常需要在中间贮存容器中进行冷却和贮存。早期主要采用乏燃料贮存水池进行乏燃料中间贮存(简称乏燃料湿式中间贮存)。1986年以后，乏燃料干式贮存技术以其结构简单、贮存容量大、几乎无二次废物、运行和维修方便等优势得到快速发展和应用。大部分干式贮存设施使用混凝土材料，美国开发的VSC-24干式贮存容器使用了DUCRETE材料，使该贮存容器在相同贮存能力下，比普通混凝土容器的直径和重量分别减少约30%[6]。
俄罗斯的CONSTOR乏燃料容器采用双层钢壳填充屏蔽材料等方法，其最初设计采用的填充材料是硫酸钡，后改用DUCRETE混凝土，在相同的伽马屏蔽性能下，容器壁厚可减少34%[6]。
美国曾于1997年用贫化UO3烧结制造密度为8.1 g/cm3的DUAGG[6]，进而制造的DUCRETE混凝土容器用于储存高放废物。
1.1.3 无水氢氟酸AHF是天然铀转化生产中的原料之一，在天然铀转化中采用AHF电解制氟的方法生产F2，F2与核纯级的UF4在高温下发生氟化反应生产UF6。因此，可以将DUF6转化产生的AHF用于天然铀转化生产。
1.2 其他领域的应用 1.2.1 铀基催化剂铀氧化物或者负载于无机材料上的铀氧化物对挥发性有机物、烷烃或烯烃具有催化氧化作用，表现出很好的催化活性[7]，如UI3(THF)4可以催化Lewis酸、Diels-Alder反应，铀的卤化物或硝酸盐、醋酸盐等可以催化Friedel-Crafts反应。
1.2.2 半导体材料Si和GaAs(砷化镓)是良好的半导体材料，UO2具有与这些半导体材料相似的电子特性[8]，如在固有电导率方面，UO2与单晶硅接近，比GaAs略低；UO2的能量带隙位于带隙与效率曲线上的最有利区间，介于硅和砷化镓之间，可用于太阳能电池、半导体或其它电子设备的制造；UO2的电容率约是Si和GaAs的两倍可用于制造体积更小的集成电路；UO2的熔点远高于Si和GaAs，而且耐辐射能力更强。因此，UO2有可能成为一种新型高性能半导体。
1.2.3 叉车配重大部分叉车都是使用铁作为配重材料，金属铀的密度(19.0 g/cm3)约是铁密度(7.0 g/cm3)的2.7倍，如果用贫铀替代铁作为叉车配重材料，那么相同负荷能力的叉车其配重尺寸将大幅降低、机动性将更灵活，应用范围将更广[2]。
1.2.4 氟产品DUF6转化过程中可直接回收氢氟酸、无水氢氟酸，也可以进一步将氢氟酸转换成CaF2、F2、BF3等氟产品。
目前，商业运行的DUF6铀转化设施均采用法国AREVA的转化工艺，其氟产品为浓度70%的氢氟酸，作为工业化学品出售[1]。
美国国际同位素氟产品有限公司(IIFP)计划在美国新墨西哥州霍布斯西部建设一座DUF6铀转化设施[9]。该转化设施于2012年底开工建造，转化产生的氟产品为SiF4、BF3和AHF。SiF4或BF3主要用于太阳能电池、半导体或电子工业等。AHF作为工业化学品出售。
1.3 应用前景分析 1.3.1 DUF6铀资源是发展核电的前提条件之一，铀的供应一般分为两大类型：第一类为主要资源，是指直接从铀矿山和水冶厂加工回收的铀；第二类为二次资源，主要包括高浓缩铀库存、乏燃料后处理回收的铀和从贫铀中再富集的铀。而我国铀矿资源相对贫乏，供需矛盾突出。因此，将贫铀作为铀资源是符合当前我国实际情况的。
中国实验快堆已于2010年7月21日临界，2011年并网成功。同时，中国原子能科学研究院对我国快堆发展提出了规划建议：2025年左右建成运行中国示范快堆，并适当推广；2030年左右建成中国商业快堆，2035年批量推广[10]。随着我国快堆技术和规模的发展，DUF6可转化为贫铀氧化物用于快堆燃料元件制造。
虽然激光浓缩法是一种高效的铀浓缩方法，可以用于贫铀尾料的再浓缩，但该技术目前仍处于研究、试验阶段，距离商业应用还有一定距离。美国核管会(NRC)于2012年9月25日向美国全球激光浓缩公司(GLE)颁发了激光铀浓缩设施的建设与运行许可证，批准该公司在北卡罗来纳州威尔明顿(Wilmington)建设一座商业激光铀浓缩设施。该设施使用Silex(激光激发分离同位素)铀浓缩技术可将235U的丰度富集至最高8%，生产的低浓铀用于制造商业核电站的核燃料[11]。2013年11月，美国能源部(DOE)通过与全球激光浓缩公司(GLE)协商，计划在帕杜卡(Paducah)建设激光铀浓缩设施，用于对库存的贫铀进行再浓缩，该设施相当于一座能持续运行40年的大型铀矿[12]。2016年11月，美国能源部(DOE)与GLE签署协议，将向GLE提供30万吨贫DUF6，为Silex激光浓缩技术的商业化铺平了道路[13]。根据激光铀浓缩技术的发展进程，我国采用该技术对DUF6进行再浓缩还需要很长的路程。
综上所述，将贫铀作为铀资源是一种有效的利用途径，然而短期内还无法实现。因此，目前为了确保DUF6的储存安全，需要将其转化成稳定的形式进行储存，待将来技术成熟时，再将其作为资源利用。
1.3.2 贫铀产品鉴于贫铀金属及其氧化物的致密性和辐射屏蔽特性，无论在核工业还是其他领域均有一定的潜在应用前景。在核工业领域，尤其是DUCRETE混凝土的辐射屏蔽应用在国外已经开展过相应的研究并有生产实践，可为我国开展相关研究提供参考。
乏燃料干式储存具有技术可靠、环境安全、二次废物少、总费用低、建造周期短、操作简单、便于管理等优点[14]，已被国际经验证明是更安全、灵活性更好的乏燃料储存方式，是今后乏燃料储存广泛使用的一种技术方向。我国目前仅秦山三期核电厂采用乏燃料干式储存方式[15]，根据我国核电发展规划及乏燃料在堆储存等压力，乏燃料干式储存符合我国乏燃料离堆储存的现实需求。因此，将DUCRETE混凝土用于乏燃料干式储存具有潜在的应用市场。
在贫铀产品的其它用途方面，虽然使用贫铀产品从理论上而言具有一定的优势，但目前技术尚不成熟，尚未有广泛的应用实践。
1.3.3 氟产品氟产品可以继续在核燃料循环系统内使用，其中，AHF可以直接作为原料用于天然铀的转化生产；氢氟酸可以考虑将其精馏转化为AHF后再用于天然铀转化生产。
在商业应用方面，氟化氢是氟化工的基础原料，氟化工产品具有耐化学腐蚀、耐高低温、耐老化、绝缘等优异性能，在军工、化工、机械、建筑、电子、能源、环保、信息、生物医药等领域具有广泛应用，并且正在向更广更深的领域拓展。由于DUF6转化产生的氟产品中不可避免的含有一定量的铀，所以将这些物质作为资源在其他领域再利用时，需要向监管当局申请解控，并按要求应用到指定的领域。
2 结果从技术成熟度和应用需求分析，可将DUF6及其转化产品的应用前景分为近期、中期、远期三个阶段，其路线图见图 1。
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图 1 DUF6及其转化产品应用前景路线图 |
(1) 鉴于我国尚未深入开展DUF6及其转化产品再利用相关技术的研究，再利用的途径也尚不明确，尤其考虑到DUF6产生量及安全储存压力的增加，近期主要着眼于将DUF6转化成稳定的化合物进行安全储存，转化产生的氟产品可应用于天然铀转化生产。
(2) 随着快堆技术的发展，以及对贫铀辐射屏蔽技术的深入研究，中期主要着眼于实现DUF6及其转化产品的资源化利用。可将DUF6转化成DUO2转化成用于快堆燃料元件制造，贫铀氧化物可以用于乏燃料干式储存等辐射屏蔽领域，氟产品可用于常规氟化工领域。
(3) 远期，着眼于实现DUF6及其转化产品的高效利用。可以借助激光铀浓缩技术直接对DUF6进行再浓缩后用于核电站燃料元件生产，同时可以考虑贫铀金属及其氧化物、氟产品在高科技领域的应用，如贫铀金属及其氧化物用于半导体领域，氟产品用于太阳能电池、半导体或电子工业等领域。
3 讨论截止2000年，我国DUF6的库存量约1.5万多吨，而且每年以1 500~2 000吨的产生量持续增长[16]，的安全储存和管理已成为一个必须高度重视的问题。对于DUF6及其转化产品的再利用，国外开展了很多研究，有些项目已经具有工程实践。结合我国的实际情况，首先考虑将DUF6作为铀资源进行储备，鉴于目前技术条件的限制，尚不能对其进行直接利用，因此，可以先将DUF6转化成稳定的铀化合物形式(如DUF4或DU3O8等)进行安全储存，待将来技术成熟时，再将其作为核燃料再利用。DUF6转化产生的AHF或氢氟酸，可以直接或经精馏转化后作为原料用于天然铀的转化生产。关于贫铀产品以及氟产品的再利用，还需要开展深入研究，一方面加强技术积累，另一方面开展高附加值利用领域的研究。
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