PDF《核燃料循环原理》

核燃料循环原理 1.

核工业体系的组成及其流程 核工业是一个十分广大的系统工程,其组成体系包括:铀矿勘 探、铀矿开采与铀的提取、燃料元件制造、铀同位素分离、反应堆发电、 乏燃料后处理、同位素应用以及与核工业相关的建筑安装、仪器仪表、 设备制造与加工、安全防护及环境保护. 2.核燃料循环及其组成 核燃料循环是核工业体系中的重要组成部分. 所谓核燃料循环 是指核燃料的获得、使用、处理、回收利用的全过程. 燃料循环通常分成两大部分, 即前端和后端, 它包括铀矿开采、 矿石加工(选矿、浸出、沉淀等多种工序)、铀的提取、精制、转换、 浓缩、元件制造等;

后端包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚 分离的后处理以及对放射性废物处理、贮存和处置. 3.铀矿地质勘探 铀是核工业最基本的原料.铀矿地质勘探的任务,是查明和研 究铀矿床形成的地质条件,阐明铀矿床在时间上和空间上分布的规律, 运用铀矿床形成和分布的规律指导普查勘探,探明地下的铀矿资源. 地壳中的铀,以铀矿物、类质图象(形成含铀矿物)和吸附状 态的形式存在.由于铀的化学性质活泼,所以不存在天然的纯元素.铀 矿物主要是形成化合物. 目前已发现的铀矿物和含铀矿物有170种以上, 其中只有 25-30 种铀矿物具有实际的开采价值. 铀矿床是铀矿物的堆积体. 铀矿床是分散在地壳中的铀元素在 各种地质作用下不断集中而成的,也是地壳不断演变的结果.查明铀矿 床的形成过程,对有效地指导普查勘探具有十分重要的意义. 并不是所有的铀矿床都有开采、进行工业利用的价值.影响铀 矿床工业评价的因素很多, 有矿石品位、 矿床储量、 矿石技术加工性能、 矿床开采条件,有用元素综合利用的可能性和交通运输条件等.其中矿 石品位和矿床储量是评价铀矿床的两个主要指标. 铀矿普查勘探工作的程序,包括区域地质调查、普查和详查、 揭露评价、勘探等相互衔接的阶段.同时还伴随-系列的基础地质工作, 如地形测量、地质填图、原始资料编录、岩石矿物鉴定、样品的化学和 物理分析、矿石工艺试验等. 4.铀矿开采 铀矿开采是生产铀的第一步. 它的任务是把工业品位的铀矿厂 从地下矿床中开采出来,或将铀经化学溶浸,生产出液体铀化合物.铀 矿的开采与其它金属矿的开采基本相同,但是由于铀矿有放射性,能放 出放射性气体(氡气),品位较低,矿体分散(单个矿体的体积小)和 形态复杂,所以铀矿开采又有一些特殊的地方. 铀矿开采方法主要有露天开采、 地下开采和原地浸出采铀三种 方法. 露天开采是按一定程序先剥离表土和覆盖岩石,使矿石出露, 然后进行采矿,这种方法一般用于埋藏较浅的矿体. 地下开采是通过掘进联系地表与矿体的一系列井巷, 从矿体中 采出矿石,地下开采的工艺过程比较复杂.一般在矿床离地表较深的条 件下采用这种方法. 原地浸出采铀是通过地表钻孔将化学反应剂注入矿带, 通过化 学反应选择性地溶解矿石中的有用成分--铀,并将浸出液提取出地表, 而不使矿石绕围岩产生位移.这种采铀方法与常规采矿相比,生产成本 低,劳动强度小,但其应用有一定的局限性,只适用于具有一定地质、 水文地质条件的矿床 5.铀提取工艺 铀提取工艺的基本任务是将开采出来的矿厂加工富集成含铀 是较高的中间产品,通常称为铀化学浓缩物,经过进一步强化,加工成 铀氧化物作为下一步工序的原料. 常规的铀提取工艺一段包括,矿石品位、磨矿、矿石浸出,母 液分离、溶液纯化、沉淀等工序. 矿厂开采出来后,经过破碎磨细,使铀矿物充分暴露,以便于 浸出,然后在一定的工艺条件下,借助一些化学试剂(即浸出剂)与其 它手段将矿厂中有价值的组分选择性地溶解出来.有两种浸出方法,即 酸法和碱法. 浸出液中,不仅铀含量低,而且杂质种类多,含量高,必须将 这些杂质去除才能达到核电要求.这一步溶液纯化过程,有两种方法可 供选择,离子交换法(又称吸附法)和溶剂萃取法.沉淀出铀化学浓缩 物的工艺过程是水冶生产的最后一道工序.沉淀物经洗涤、压滤、干燥 后即得到水冶产品铀化学浓缩物,又称黄饼. 6.浓缩铀生产技术 以同位素分离为目的, 提高铀-235 浓度的处理即为浓缩. 通过 浓缩获得满足某些反应堆所要求的铀-235 丰度的铀燃料. 现代工业上采 用的浓缩方法是气体扩散法和离心分离法. 浓缩处理是以六氟化铀形式 进行的.此外,还有激光法、喷嘴法、电磁分离法、化学分离法等.对 铀同位素进行分离,使铀-235 富集.分离后余下的尾料,即含铀-235 约0.3%的贫化铀可作为贫铀弹的材料等 7. 反应堆用的燃料元件 经过提纯或同位素分离后的铀,还不能直接用作核燃料,还要 经过化学,物理、机械加工等复杂而又严格的过程,制成形状和品质各 异的元件,才能供各种反应堆作为燃料来使用.这是保证反应堆安全运 行的一个关键环节. 按组分特征, 可分为金属型、 陶瓷型和弥散型三种;