什么是核燃料循环？
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制造反应堆用的核燃料需要多道工序，这些工序组成了核燃料循环。图1.1显示了核燃料循环主要步骤的流程。这个循环从铀矿开采开始。铀蕴含在陆地上和海水中的各种沉积物里。沥青铀矿、云母铀矿、钒钾铀矿、钙铀云母、硅钙铀矿和铜铀云母矿这几种矿物中含有铀。磷酸盐岩、褐煤和独居石也都可能含有铀。
图1.1 核燃料循环流程图
下一步是精选，这一步是为了从成吨的矿物质中分离出铀矿石所必需的。精选得到的铀精矿，通常叫作“黄饼”，因为它是黄颜色的。黄饼本身不能用作反应堆燃料，所以需要把它转化为其他化学形式，这种形式适合于制作天然铀燃料或铀浓缩工厂用的原材料。这些铀浓缩工厂提高裂变同位素铀-235的浓度，这样的铀-235是用于制作低浓缩铀燃料的。后面将按照不同的浓缩方法，讨论以天然铀为燃料和以低浓缩铀为燃料的不同类型反应堆。
大部分反应堆使用的燃料的化学成分是二氧化铀。为了制备燃料，要把粉末状的二氧化铀压制成靶丸。然后把这些靶丸装进细长的燃料棒。这些燃料棒被捆绑在一起组成燃料组件。为了使燃料组件形象化起见，可把它设想为由十多根(或更多)长而细(长度达几米，直径为10毫米)的燃料棒，借助强有力的金属定位托架捆绑起来的集合体。燃料棒之间有几毫米的空间，以便冷却液可以在它们之间流动。通常，一座商业反应堆有几个燃料组件。
燃料可以在反应堆中留置长达几个月至数年。在此期间，铀-235发生裂变并释放出用来发电的能量。裂变过程也释放中子。一般来说，每次裂变会释放出2个或3个中子。在这些中子中间，通常至少有一个被铀-235原子核吸收，继续进行裂变链式反应。其他的中子，或是被燃料中铀-238原子核吸收，或是被反应堆中其他材料的原子核吸收。当一个铀-238原子核吸收了1个中子时，它会迅速发生放射性衰变，产生镎239，然后镎239又衰变为钚-239，钚-239是可裂变物质。这种钚大部分都可发生裂变，因此有助于释放能量和发电。
在大部分的铀-235和钚-239裂变后，燃料将被从反应堆中移走。被移走的燃料就是所谓乏燃料、辐照燃料或已用燃料。为统一起见，我们将此种燃料称为“乏燃料”。移出后，此种乏燃料通常需要冷却几年，因为它的温度实在是太高了。大部分热量是由裂变产物，即铀和钚裂变生成的中等质量同位素的放射性衰变产生的。其余的热量来自铀和钚的放射性衰变。因为这种热量来自放射性衰变，故称之为衰变热。乏燃料被放置在深水池中。水在这里起了两方面的作用：一是冷却，带走了衰变热；二是起了屏蔽作用，保护工作人员免遭强烈的放射性照射。
充分减少衰变热后，乏燃料仍然可以在储存池中保存几年，也可以把它装入干燥的储存罐中，或者送到后处理工厂。这取决于对乏燃料具有监管功能的政府所制定的政策。到这里，燃料循环分成三种不同的路径：铀燃料的一次性使用，乏燃料的单循环，乏燃料的多循环。(后面在第2章将会说明为什么各国政府会做不同的选择。)第一种选择，是指定把乏燃料永久储存在处理设施中。但是因为没有一个国家有这样的设施，所以只能把乏燃料保存在临时的储存设施中，通常是在核电厂的储存池或储存罐中。
代之以储存乏燃料，政府可以决定对它进行后处理。后处理是从乏燃料中提取钚和未使用过的铀的一套技术。这套技术可以将钚和未使用过的铀回收变为新燃料。然而，乏燃料中的高放射性裂变产物仍然需要进行安全处理。后处理并没有消除对核废物进行储存和处理的需要。但并不是要将乏燃料中的钚储存好几万年，因为在铀和钚的裂变过程中产生的放射性裂变产物的大部分(但不是全部)将在几百年间衰变。然而，实际上少数几个进行后处理的国家，如英国、法国、日本和俄罗斯，通常进行的是一次回收，即从最初只将铀作为燃料的乏燃料中提取钚，再次使用回收的钚作为燃料，然后储存再生燃料产生的乏燃料和其他放射性废物。要完成整个燃料循环，就要消化掉寿命较长的放射性废物，这将需要部署许多的快堆，这些反应堆将燃烧掉钚和其他易裂变材料。需要多次回收才能消耗大部分材料。不幸的是，目前后处理和快堆的成本与一次使用铀的燃料循环的成本是无法比拟的。(这种情形将在第2章深入讨论。)