核燃料循環(huán)分析

核燃料循環(huán)~0.85%反應堆元件制造化工轉(zhuǎn)化鈾的濃縮中間儲存鈾的轉(zhuǎn)化鈾礦開采鈾的轉(zhuǎn)化前處理后處理暫時儲存處理處置長期儲存庫钚產(chǎn)品最終處置庫乏燃料

乏燃料堆后鈾UO2UF6≈0.72%235U天然鈾

≈0.72%235UUF6

≈3%鈾元件放射性廢物UF6圖1-3輕水堆電站、鈾-钚燃料循環(huán)示意圖前段后段黃華核燃料循環(huán)，為核動力反應堆供應燃料和其后的所有核燃料循環(huán)處理和處置過程的各個階段。它包括鈾的采礦，加工提純，化學轉(zhuǎn)化，同位素濃縮，燃料元件制造，元件在反應堆中使用，核燃料后處理，廢物處理和處置等。前言主要內(nèi)容鈾礦的開采鈾礦的加工冶煉鈾的轉(zhuǎn)化鈾的濃縮燃料元件的制備核燃料循環(huán)前段核燃料的制造礦石加工黃餅轉(zhuǎn)化濃縮燒結(jié)芯快組裝燃料組件六氟化鈾1.中國是鈾礦資源不甚豐富

2.我國鈾礦探明儲量居世界第10位之后，不能適應發(fā)展核電的長遠需要

3.礦床規(guī)模以中小為主

4.礦石品位偏低

一般在千分之一含量就要開采，成本較高

開發(fā)堆浸、地浸技術(shù)，可降低成本

5.我國逐步發(fā)現(xiàn)了花崗巖型38%、火山巖型22%

、砂巖型19.5%和碳硅泥巖型16%四大類型的鈾礦床

北方鈾礦區(qū)以火山巖型、砂巖型為主地浸

南方鈾礦區(qū)以花崗巖型為主堆浸

我國的鈾資源鈾礦開采是生產(chǎn)鈾的第一步。它的任務是把工業(yè)品位的鈾礦廠從地下礦床中開采出來，或?qū)⑩櫧?jīng)化學溶浸，生產(chǎn)出液體鈾化合物。鈾礦的開采與其它金屬礦的開采基本相同，但是由于鈾礦有放射性，能放出放射性氣體（氡氣），品位較低，礦體分散（單個礦體的體積?。┖托螒B(tài)復雜，所以鈾礦開采又有一些特殊的地方。鈾礦床開采方法可歸納如下幾種：鈾礦的開采采鈾常規(guī)采鈾露天開采地下開采溶浸采鈾原地浸出采鈾原地爆破浸出采鈾堆浸采鈾采礦露天開采是按一定程序先剝離表土和覆蓋巖石，使礦石出露，然后進行采礦，這種方法一般用于埋藏較淺的礦體。露天開采阿爾利特的露天鈾礦開采場地下開采是通過掘進聯(lián)系地表與礦體的一系列井巷，從礦體中采出礦石，地下開采的工藝過程比較復雜。一般在礦床離地表較深的條件下采用這種方法。

根據(jù)我國鈾礦床的特點，地下采礦使用最多的為充填采礦法。郴州，仁化和撫州鈾礦就是使用的充填采礦法。地下開采郴州鈾礦原地浸出采鈾簡稱地浸采鈾，是在礦床天然產(chǎn)狀條件下，通過從地表鉆進至礦層的注液鉆孔將配制好的化學試劑注入礦層，與礦物發(fā)生化學反應，溶解礦石中的鈾，隨后將含鈾的溶液抽至地表，送進回收車間進行離子交換、淋洗、沉淀、壓濾，干燥，最終得到合格產(chǎn)品。這種鈾礦開采方法不移動礦石和

圍巖，將礦石的開采、選

礦、水冶集于一體。這種

采鈾方法與常規(guī)采礦相比，

生產(chǎn)成本低，勞動強度小，

但其應用有一定的局限性，

只適用于具有一定地質(zhì)、

水文地質(zhì)條件的礦床。原地浸出采鈾地浸采鈾堆浸采鈾方法又分為地表堆浸采鈾和地下堆浸采鈾兩種。地表堆浸采鈾是通過常規(guī)的井下或露天方法將采出的礦石破碎至一定粒度，在地表筑起一定高度的梯形礦堆，通過布置在堆頂面的布液系統(tǒng)將化學試劑均勻地噴灑，化學試劑在滲濾過程中與鈾礦物反應，形成的含鈾溶液經(jīng)底部集液系統(tǒng)收集，送水冶廠處理，得到最終產(chǎn)品。地下堆浸與

地表堆浸不同之處是將礦堆

建在井下。與常規(guī)采礦方法

相比，堆浸采鈾省去了磨礦

工藝。主要以北方可地浸砂

巖型礦床為主（新疆、東北、

內(nèi)，蒙古地區(qū)）

堆浸采鈾堆浸提鈾原地爆破浸出是通過爆破手段，將天然埋藏下的鈾礦體原地破碎到一定塊度，形成礦堆，再用化學試劑與礦堆接觸并發(fā)生化學反應，有選擇地浸出鈾至溶液中，最終將含鈾溶液收集并輸送至水冶廠處理，得到鈾產(chǎn)品的一種采礦方法。這種方法大大減少了礦石運輸量和尾礦庫的容積，有利于環(huán)境保護。

原地爆破浸出采鈾

鈾礦冶是指從鈾礦石中提出、濃縮和純化精制天然鈾產(chǎn)品的過程。鈾礦冶是核工業(yè)的基礎(chǔ)。

目的是將具有工業(yè)品味的礦石，加工成有一定質(zhì)量要求的固態(tài)鈾化學濃縮物，以作為鈾化工轉(zhuǎn)換的原料。

在鈾礦冶中，由于鈾含量低、雜質(zhì)含量高、腐蝕性強，又具有放射性，鈾的冶煉工藝比較復雜，需經(jīng)多次改變形態(tài)，不斷進行鈾化合物的濃縮與純化。鈾的加工冶煉常規(guī)的鈾提取工藝一段包括，鈾礦石的破碎和磨細、鈾礦石的浸取、礦漿的固液分離、離子交換和溶劑萃取法提取鈾濃縮物、溶劑萃取法純化鈾濃縮物。

提煉方式

鈾的選礦

重力選礦、磁選選礦、放射性選礦

鈾的水冶

將鈾溶解的化學反應過程（用酸或堿的水溶液）

鈾的純化

從純凈的溶液中提取鈾（濃縮和純化使鈾和雜質(zhì)分開）達到較高和核純級要求的產(chǎn)品

產(chǎn)品

固態(tài)鈾化學濃縮物

鈾水冶重鈾酸銨（黃餅）、三碳酸鈾銨

純化精制核純度的鈾氧化物（U3O8黃餅）鈾的加工冶煉礦石開采后運至處理廠磨礦后采用堆浸浸出。

堆浸是堆置浸出法的

簡稱，是通過將稀的化學

溶劑噴灑到預先堆置好的

礦石堆上，選擇性地溶解

（浸出）礦石中的目標成分，形成離子或絡(luò)合離子并使之轉(zhuǎn)入溶液，以便進行進一步的提取或回收的浸出方法；堆浸的礦石僅需粗碎即可，溶液在礦堆中處于非飽和流狀態(tài)。鈾的加工冶煉礦石浸出形成礦漿浸出的礦漿經(jīng)固液分離得到含鈾的清液或稀礦漿磨礦鈾的提取和沉淀產(chǎn)出；

1.目的

將浸出液中的鈾與雜質(zhì)分離使鈾得到部分濃縮

2.提取和沉淀方式

（1）離子交換法

（2）溶液萃取法

（3）加入沉淀劑使鈾化學濃縮物沉淀

（4）將沉淀物洗滌、壓濾、干燥

3.產(chǎn)品

鈾化學濃縮物(黃餅)

（1）重鈾酸鈉

（1）重鈾酸氨

含鈾量40%-70%仍含大量雜質(zhì)

鈾的加工冶煉提取鈾黃餅鈾的精制：

1.目的

精制鹽過程，生成核純度的鈾

將鈾化學濃縮物(重鈾酸鈉、重鈾酸氨)轉(zhuǎn)化成易于氫氟化的鈾氧化物

2.精制方式

（1）離子交換法

（2）溶液萃取法

（3）分布結(jié)晶法

3.產(chǎn)品

鈾氧化物(U3O8、UO2等)、四氟化鈾（UF4）等

4.煅燒

制取U3O8或UO2陶瓷

鈾的加工冶煉將水冶產(chǎn)品鈾濃縮物中的鈾轉(zhuǎn)換成核純級鈾金屬或六氟化物(UF6)的全部物理－化學過程鈾的轉(zhuǎn)化中國有三座鈾轉(zhuǎn)化廠，主要集中在中國的西北地區(qū)即將建成在四零四廠的中國最大的集中鈾轉(zhuǎn)化廠，是我國規(guī)模最大的六氟化鈾生產(chǎn)廠鈾轉(zhuǎn)化工廠六氟化鈾鈾的轉(zhuǎn)化U3O8硝酸鈾酰UO3UO2UF4UF6硝酸溶解重鈾酸工藝還原工藝氫氟化工藝氟化工藝得到的UF6經(jīng)過冷凝與不凝性氣體分開，再經(jīng)過液化釋壓得到UF6原料235U鈾的濃縮天然鈾（0.7%U235）低濃縮鈾（3~5%U235）以同位素分離為目的，提高鈾-235濃度的處理即為濃縮。自然界中的鈾：---234U（0.0057%）-235U（0.7115%）-238U（99.28%）鈾濃縮--同位素分離--235U豐度鈾的濃縮鈾－235同位素的濃度天然鈾：0.712％（CANDU）濃縮鈾：2(輕水堆)~10％，低濃縮鈾、高濃縮鈾貧料鈾：0.2%（未料）鈾同位素分離擴散機群

鈾同位素離心機聯(lián)壓水堆——當前核電站應用最多的堆型——需要2～3％；游泳池堆需要10%；快堆需要25％；高通量材料試驗堆需要90%）。而核彈則需要更高的濃縮度。軍事和核工業(yè)用的濃縮鈾在90%以上

--因為同位素有幾乎相同的化學特性，不易用化學分離因此鈾的濃縮是精煉油的物理過程

--利用微小質(zhì)量差分離U238和U235

--濃縮廠的最終產(chǎn)品為UF6鈾的濃縮鈾濃縮廠1.氣體擴散法

最成功、最經(jīng)典的方法、商業(yè)開發(fā)的第一個濃縮方法，利用不同質(zhì)量的鈾同位素在轉(zhuǎn)化為氣態(tài)時運動速率的差異。

輕同位素氣態(tài)時移動較快，更快通過多孔分離膜抽取，通過的氣體被送到下一級，達到反應堆,需要1000級以上

美國、法國等使用

2.氣體離心法

通過重力和離心場分離，重的在外，近軸處的氣體被導出送入下一臺離心機，單位分離功耗電只是氣體擴散法的5%，成本下降了75%

日本、歐洲等使用

美國當年在日本廣島投放的原子彈就是通過這種技術(shù)制成的。

3.氣體噴嘴法

高速吹向凹型壁，慣性和離心力使重物近壁

面

噴嘴法的單級分離系數(shù)介于氣體擴散法和離

心法之間，比能耗和比投資與氣體擴散法相當

或略大。由于氣體動力學法的比能耗和比投資

都很高，已經(jīng)成功應用擴散法的國家一般都不

再研制氣體動力學方法。

鈾的濃縮鈾的濃縮4.激光分離法

利用吸收光的能級不同，用激光進行選擇性的激發(fā)，并使其離子化，幾乎可以達到同位素完全分離，是最有希望的分離方法。

商業(yè)上尚未得到試驗驗證

美國、日本在研究5.電磁分離法利用帶電原子在磁場作圓周運動時其質(zhì)量不同的離子由于旋轉(zhuǎn)半徑不同而被分離的方法。輕同位素由于其圓周運動的半徑與重同位素不同而被分離出來。這是在20世紀40年代初期使用的一項老技術(shù)。正如伊拉克在20世紀80年代曾嘗試的那樣，該技術(shù)與當代電子學結(jié)合能夠用于生產(chǎn)武器級材料。6.等離子體法在該法中，利用離子回旋共振原理有選擇性地激發(fā)235U和238U離子中等離子體235U同位素的能量。當?shù)入x子體通過一個由密式分隔的平行板組成的收集器時，具有大軌道的235U離子會更多地沉積在平行板上，而其余的235U等離子體貧化離子則積聚在收集器的端板上。已知擁有實際的等離子體實驗計劃的國家只有美國和法國?；み^程(將UF6轉(zhuǎn)化為UO2)壓制過程(陶瓷)元件總裝組件組裝燃料元件的制備燃料芯塊壓水堆燃料組件重水堆燃料組件核燃料特性:

1.高熱導率

2.抗輻照能力

避免腫脹、開裂、蠕變引起的變形

3.化學穩(wěn)定性

防止與冷卻劑的化學反應

4.高的熔點

5.易加工的物理、力學性能

6.低膨脹系數(shù)

7.含較高濃度易裂變物資

8.不含中子吸收截面大的其它物質(zhì)燃料元件的制備1.燃料元件的種類

陶瓷型

UO2，輕水堆動力反應堆