核能開發(fā)及應用04 核燃料與核燃料循環(huán)

核能開發(fā)及應用第一章核燃料與核燃料循環(huán)

回顧核能核燃料循環(huán)鏈式裂變反應核燃料鈾的同位素分離（鈾的富集或鈾的濃縮）

在富集前，須將鈾的氧化物轉(zhuǎn)換成UF6，采用氣體擴散法或離心分離法濃縮。富集鈾再根據(jù)不同的用途進行轉(zhuǎn)換。生產(chǎn)反應堆燃料元件一般轉(zhuǎn)換成UO2，制造核彈頭一般用Ca等還原成金屬。同位素分離的尾料可以還原成金屬，制造貧鈾裝甲彈、貧鈾穿甲彈。燃料元件的制造

燃料元件一般由燃料芯塊、燃料包殼及其結(jié)構(gòu)件組成。熱通過燃料元件導出，并傳給載熱介質(zhì)。核裂變產(chǎn)生的放射性裂變產(chǎn)物阻留在元件內(nèi)。燃料元件反應堆中的產(chǎn)物

核燃料在反應堆中經(jīng)過鏈式裂變反應后形成一個很復雜的體系，包括很多的產(chǎn)物：未用完的235U、238U、新生成的239Pu、以及裂變碎片和活化產(chǎn)物（近40種元素、上百種初級裂變產(chǎn)物，放射性核素達300余種），238U連續(xù)俘獲中子生成的次要錒系元素。燃料后處理

從乏燃料中回收有用的可裂變物質(zhì)，主要是鈾和钚。還可以同時獲得镅等次要錒系元素、其它有用的放射性同位素加以利用。鈾、钚的回收率大于99%，裂變產(chǎn)物的去污系數(shù)（處理前后鈾或钚中裂變產(chǎn)物的含量之比）達107～108。乏燃料運輸容器放射性廢物的處理

對于短壽廢物采用地表處置，對于長壽命廢液，經(jīng)減容后進行水泥固化、玻璃固化（固體硅硼酸鹽玻璃塊），采用深地層埋藏處置。新技術(shù)：分離-嬗變法

先用化學方法，將廢液中具有放射性的镅、鋦等與其它裂變產(chǎn)物分離，將剩余部分經(jīng)減容后進行玻璃固化，埋藏在深地層中。將镅、鋦通過中子嬗變變成短半衰期或穩(wěn)定的其他核素。核燃料循環(huán)叫做閉式(或閉合)燃料循環(huán)。大多數(shù)國家如：英、法、中國、聯(lián)邦德國、日本、意大利、俄羅斯、阿根廷和印度等皆采用核燃料循環(huán)的方針，對于壓水堆電站乏燃料進行后處理，以大大減少需要最終處置的放射性核素，并把鈾和钚循環(huán)使用。美國、加拿大、瑞典等國家考慮對壓水堆電站乏燃料不進行后處理，而直接包裝或經(jīng)切割后包裝，然后送到深地層的最終處置庫永久儲藏起來。這樣未經(jīng)后處理也就是沒有封閉的核燃料循環(huán)，稱做一次通過。加拿大核發(fā)電用的是重水堆,燃料用天然鈾，燒過后其中235U含量只有0.3％，所以對核燃料循環(huán)一直采取一次通過的方針。有些國家對于壓水堆電站的核燃料循環(huán)也考慮采取一次通過的方針，這是因為這些國家的后處理和高放廢液處理的費用十分高。但是，一個1000兆瓦的壓水堆電站卸下燃料中所含錒系元素的放射性高達10萬居里左右，把這樣大量的極長半衰期的放射性核素長期埋在地下能否保證安全尚未肯定，把大量可以利用的238U和239Pu埋在地下廢棄不用也是不合理的。鈾-钚循環(huán)：在快堆中將238U轉(zhuǎn)化為239Pu，并通過后處理把钚分離出來,作為快堆的燃料循環(huán)使用。在發(fā)展初期，可用壓水堆后處理得到的钚作為裝料；發(fā)展到一定規(guī)模后，就可用快堆自己增殖的钚作為燃料。釷-鈾循環(huán)：在熱中子堆中把232Th轉(zhuǎn)化為另外一種核燃料233U，通過后處理把233U分離出來返回堆中循環(huán)使用。適于采用這種核燃料循環(huán)的堆型是高溫氣冷堆，其科研開發(fā)工作現(xiàn)已接近商業(yè)化階段。在重水堆甚至輕水堆中，也可采用這種燃料循環(huán)方式，科研工作尚處于開始階段。核不擴散：嚴禁擴散鈾同位素分離技術(shù)、核燃料后處理技術(shù)、氘的重水生產(chǎn)技術(shù)，勘探：對礦床全面工業(yè)評價，查資源，定儲量礦床指標：礦石品位，礦床儲量勘探方法：放射性測量，如利用航空總計數(shù)測量、航空能譜測量及車載步行放射性測量，圈定放射性異常區(qū)。地球物理方法和遙感技術(shù)也受到重視。含鈾量礦石等級>0.3%富礦0.1~0.3%中礦0.05~0.1%貧礦7、鈾礦的勘探與開采鈾儲量礦床等級>5000t大型~1500t中型100~1000t小型鈾在大陸地殼中的相對豐度鈾礦鈾礦鈾礦鈾礦鈾礦BAR：可確保資源（可靠鈾資源）EAR：預計可回收資源（估算的附加鈾資源）世界鈾儲量：739萬噸（BAR+EAR）海水：４０億噸。成本高，只日本進行了試生產(chǎn)7.5kg。鈾資源分類（IAEA）對于離地面較深的脈型礦床采用地下坑道開采法，其工藝復雜，成本高。對于離地面較淺的沉積型大型礦床采用露天開采法，剝離表土和覆蓋巖石后，用大型機械開采，勞動條件好，回采率高，成本低。化學開采法：包括地浸和堆浸，其優(yōu)點是不必進行挖掘開采和礦石加工，節(jié)約生產(chǎn)費用，可以開采不值得挖掘的低品位礦，只有很少的放射性被帶到地面，減少礦工在地下工作的風險，但這種方法對地質(zhì)條件要求嚴格，鈾的浸出率和回收率低，最多只能達到50％，并可能對地下水造成污染。目前大多數(shù)采用地下開采法，少數(shù)使用露天開采法。開采出的礦石一般先經(jīng)過物理選礦，篩選掉相當一部分廢石，以提高待處理的礦石品位，減少鈾礦石加工和精制的工作量。目前采用的物理選礦方法有放射性選礦、選擇性磨礦選礦、浮游選礦、重力選礦和電磁選礦等。開采方法鈾礦石預處理8、鈾礦石的加工和精制破碎：初碎、中碎、細碎焙燒：提高有用成分的溶解度和降低雜質(zhì)的溶解度，以利于后續(xù)的浸出處理；改善礦石的物理性質(zhì)，以利于后續(xù)的磨礦處理和浸出后的液固分離。方法：氧化焙燒、加鹽焙燒和改善物理特性的焙燒。磨礦：研磨成一定粒度的原料。水冶：由于鈾礦石的加工過程多采用濕法化學處理，稱為鈾的水法冶金(又稱濕法冶金)。浸出（浸取，固—液萃?。菏且环N固—液接觸的操作過程，用固體中的一些成分易于溶解在一些液體中，而將其提取到液體中，進行后續(xù)的加工。鈾礦石浸出的主要目的：是把鈾從礦石轉(zhuǎn)入溶液，浸出處理礦石的液體稱為浸出劑或浸取劑，完成浸出過程后的浸出劑叫做浸出液或浸取掖。浸出率：浸出后轉(zhuǎn)入浸出液中的鈾量與浸出前礦石中總鈾量的百分比。由于浸出劑有選擇性溶解作用，礦石中有的雜質(zhì)元素不被浸出或難被浸出，所以浸出過程也是鈾與雜質(zhì)元素的初步分離過程。鈾礦石的浸出是鈾水冶的第一步。鈾礦石的浸出主要采用酸法和堿法酸浸出劑：硫酸（硝酸、鹽酸成本高等，較少使用）步驟：需加入氧化劑，如氯酸鈉，每噸礦石用量為1.36kg，將礦石中的鈾氧化成6價。采用液固比(浸出液與礦石的質(zhì)量之比)為0.6—1.2。在40一80℃下浸出3—8h，鈾的浸出率為85％一97％。對含碳酸鹽較多的礦物，常用