核反應堆工程03

核能開發(fā)與應用深圳大學核技術研究所趙海歌2010-2011學年第二學期9、鈾的同位素分離概況：世界上絕大多數(shù)核電站都使用鈾”235含量為2％-5％的低富集鈾作核燃料，一些研究堆和快堆需要豐度較高的燃料，如游泳池式堆需要鈾-235豐度為10％的核燃料，快堆燃料含鈾-235達25％，高通量準則需要90％的高濃鈾。核武器的核材料也要用90％的高濃鈾。將天然鈾(鈾-235豐度為0.71％)中的鈾-235豐度提高，是通過鈾-235和鈾-238同位素分離實現(xiàn)的。鈾同位素分離又叫鈾-235的富集(過去叫鈾的濃縮)。鈾的同位素分離在核燃料循環(huán)中是十分重要、十分敏感的技術。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)同位素分離基本原理：利用同位素熱力學性質(zhì)上(相平衡和化學平衡)的差異精餾、化學交換(單溫、雙溫)、色譜(色層)、吸收、萃取、結晶和吸附諸方法。利用擴散性質(zhì)上的差異氣體擴散、靶膜擴散、氣體離心、熱擴散、質(zhì)量擴散、分子精餾(利用蒸發(fā)及擴散性質(zhì))等方法。廣泛地講，空氣動力學諸方法也屬這一類。利用電磁場或電場中物理性質(zhì)的差異電磁法、等高于體法(旋轉等離子體法遷移方法。利用空氣動力學性質(zhì)上的差異噴嘴、南非法(UcOR法)、射流法利用吸收光譜上的差異分子激光、原子激光利用生物效應上的差異利用化學反應速度的差異：光化學反應，電解等第二章：核燃料與核燃料循環(huán)鈾位素分離基本原理：

由于鈾-235和鈾-238的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)相同，共差別只是原子核的質(zhì)量數(shù)相差3，鈾同位素分離就是利用這個原子核質(zhì)量數(shù)的微小差別致使在反應程度或反應速度上出現(xiàn)的微小差別而采用物理或化學方法進行分離的。分離需要龐大的設備，消耗大量的能量。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)鈾分離方法：鈾同位素分離法是第二次世界大戰(zhàn)期間美國實行研制第一顆原子彈計劃——曼哈頓工程(ManhattanProject)開始發(fā)展起來的。在20世紀60年代研究了多種方法，但迄今只有三種具備工業(yè)價值的分離方法：即氣體擴散法、氣體離心法和空氣動力學法。正在研究的方法：激光法和化學交換法鈾問位素分離的術語：①分離單元。分離單元是同位素分離工廠中最小的單位，如一個氣體擴散級，一個氣體離心機。一個分離單元有一股進入物料流(供料即原料)，兩股流出物料流(濃料或稱濃縮流，即235U含量較高的物料和貧料或稱尾料或貧化流，即鈾—235含量較低的物料)。每個分離單元在結構上完全一樣，供料、濃料和貧料的量和相應的豐度值也一樣。②級或分離級：一個分離級出一個分離單元組成，或由幾個分離單元并聯(lián)而成。分離級簡稱級。③級聯(lián)：級聯(lián)一般由很多分離單元串聯(lián)、并聯(lián)而成?！凹壜?lián)”是由若干級串聯(lián)而成的，而級則由若干分離單元并聯(lián)而成。級聯(lián)中可以有幾種不同結構的分離單元。按需要有多種多樣的級聯(lián)形式，分離單元或級的排列情況也千變?nèi)f化。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán)分離單元、級、級聯(lián)示意圖④分離功(SWU)。為達到一定的富集度需要做的功。理論上在溫度為58℃時，富集鈾過程每個SWU＝702kw?h，在實際過程中，每個SWU接近3000kW?h。有的書中把分離功定義：從2.3kg天然鈾生產(chǎn)1kg含1.4％鈾—235的低濃鈾且尾料為0.2％鈾—235所需要的功。分離功是鈾同位素分離工藝的耗功度量，鈾同位素分離廠的生產(chǎn)能力都用SWU的數(shù)量表示，而不是用富集產(chǎn)品的數(shù)量表示。在工業(yè)上已經(jīng)實現(xiàn)的三種鈾同位素分離方法的特點如下①每個分離單元的分離效果都很小，要達到分離要求，要把大量的分離單元并聯(lián)、串聯(lián)起來。②要求被分離的鈾物料為氣態(tài)，六氟化鈾是目前惟一的易揮發(fā)的鈾化合物，六氮化鈾在室溫下是固體，其三相點(因相、液相、氣相同時存在的溫度)為64C，因此溫度稍高就揮發(fā)為氣體。處理六氟化蝕的問題是毒性高腐蝕性強。③分離功價格高昂，核燃料富集的成本占總燃料成本的比重較大。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)氣體擴散法原理：兩種不同分子量的氣體混合物在處于熱運動平衡時，具有相向的平均動能，由于質(zhì)量(分子量)不同，因而速度不同，其平均速度與質(zhì)量的平方根成反比。較輕的分子的平均速度較高，當由兩種分子構成的氣體混合物通過擴散膜時，較輕分子和擴散膜碰撞的機會比較重的分子多，從而可以實現(xiàn)一定程度的分離。為實現(xiàn)分離，要求盡量不發(fā)生分子的相互碰撞，因而要求擴散分離膜的孔徑應小于氣體分子運動的平均自由程。所以氣體擴散法分離六氟化鈾氣體中的鈾-235和鈾-238的條件是：氣體壓力必須足夠低，膜必須很薄，膜的孔徑必須足夠小，約為0.01-0.03

m。當六氟化鈾氣體流過時，一部分氣體從高壓腔通過擴散膜進入低壓腔，從而在膜的兩側形成了鈾-235的微小濃度差。經(jīng)過一系列分離級，就可達到對鈾—235和鈾—238的分離要求。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)一個完整的氣體擴散分離級應包括以下一些部分。(1)擴散分離器：又叫擴散筒，分離器一般做成圓桶形，在分離器內(nèi)安裝著一定形式、一定數(shù)量的擴散分離膜，分離股做成管狀或平板狀。分離膜大致有金屬膜、陶瓷或非金屬無機物胺，聚四氟乙烯膜三種，工業(yè)上一般采用燒結鎳和陽極化的鋁作為膜材料。每個分離器都有一個進科口，兩個出料口和一個貧化流(2)壓縮機：在分離膜兩邊必須維持一定的壓差。

(3)熱交換器(冷卻器)：壓縮機壓縮六氟化鈾氣體后，氣體溫度會升高，需要熱交換器進行冷卻使氣體溫度保持恒定。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)(4)調(diào)節(jié)器：用來調(diào)節(jié)分離級的流量，一般裝在重流分管道上。(5)管道及測量儀表等：用于聯(lián)結分離級及測量分離級的流量、溫度、壓力等參數(shù)。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)實際分離系數(shù)小于

0，一般為1.003。由于鈾-235和鈾-238的分離系數(shù)非常小，為制得3％的鈾-235，需要把1200多個擴散分離級串聯(lián)起來，為制得5％的鈾-235，需要約1500個擴散級。生產(chǎn)90％以上鈾-235的高濃鈾，則需要幾千個擴散級。氣體擴散法需要的設備數(shù)量多，但過程簡單，設備可靠性好，氣體擴散廠由于需要把氣體不斷重新壓縮，又有大旦廢熱需要排出，因而要消耗大量電能，每單位分離功耗電2500一3000kw．h，并消耗大量的冷卻水。美國原子能委員會的擴散工廠生產(chǎn)能力為17000t分離功單位／年，每年使用的總電力為600萬千瓦．總循環(huán)水量為510萬噸／日，生產(chǎn)成本為每公斤分離功單位32美元。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)氣體離心法氣體離心法又叫離心法，是用強離心力場作用實現(xiàn)輕、重同位素分離的方法。在高速旋轉的離心機中，輕、重同位素的氣體溫合物在離心力的作用下，較重的分子靠近離心機的外周濃集，較輕的分子在靠近軸線處濃集，因而可以分別引出略為貧化和略為濃縮的兩種流分。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán)離心機的轉速越高，分離系數(shù)越大，生產(chǎn)能力也越大。因此要求離心機能達到很高的轉速，一般要求其外周速度為300-500m/s，對于直徑10cm的轉筒，這相當于轉速高達每分鐘6萬-10萬轉，因而對轉筒的材料要求很高。轉筒材料可用特殊鋁合金鋼、鈦合金和高強度纖維復合材料等。分離鈾同位素離心法遠比擴散法有效。使用外周速度為300m/s的離心機，分離系數(shù)可達1.058．把鈾-235富集到3％，只需要不到100級。離心法的能耗約為擴散法的1/7-1/10，能耗少是離心法的突出優(yōu)點。但由于離心機的生產(chǎn)能力太小，要達到一定的生產(chǎn)規(guī)模，需要使用多臺離心機并聯(lián)。一座年產(chǎn)6000-10000t分離功的大型鈾同位素分離廠，需要安裝9萬-10萬臺離心機。若單臺離心機平均壽命為3年，則平均每天需更換上百臺，不僅工作員很大，而且會干擾運行。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)空氣動力學法空氣動力學法又叫噴嘴分離法。德國首先對其進行了研究，