核动力工程与辐射科学(上6).ppt
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1、核动力工程与辐射科学,(上),匡 波 上海交通大学 核科学与工程学院 2012年,第六章 核燃料循环 Nuclear Fuel Cycle,第六章 核燃料循环,6.1 核燃料循环体系 6.2 核燃料循环前端 6.3 堆内燃料循环 6.4 核燃料循环后端, 核工业是一个十分庞大的系统工程,其组成体系包括: 铀矿勘探、铀矿开采、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。,核工业体系,6.1 核燃料循环体系 Nuclear Fuel Cycle,Nuclear Fuel Cycle, 核
2、燃料循环概念的产生是基于反应堆运行的下述两个特点: 核燃料在反应堆中不是一次就完全“燃烧”耗尽的(在热堆中,燃耗通常为1.53%;在快堆中燃耗可达10%); 反应堆运行中产生次级易裂变核素(反应堆的中子作用于可转换核素238U、232Th,分别产生易裂变核素239Pu、233U)。 载于堆内的燃料必须保持(或大于)临界质量,为在一定运行周期内发出额定功率,堆内需留有超过临界质量的易裂变燃料,使反应堆内具有后备反应性。当达到一定燃耗深度,由于燃料消耗以及运行期间产生并积累的毒化效应,待后备反应性接近消失时,虽然燃料中尚有相当数量易裂变材料,也得将其从堆内卸出并换料。换出的乏燃料中含有大量易裂变与
3、可转换核素,需对乏燃料进行化学处理,提取、回收易裂变与可转换核素,去除裂变产物,重新制成可用的燃料元件返回堆内复用。从而形成核燃料循环体系的重要组成部分(后端)。, 对经堆内中子辐照过的铀燃料的这种化学处理,常称为核燃料后处理(Nuclear Fuel Reprocessing),或称核燃料放化后处理。 以区别于核燃料进入反应堆前从铀矿石中提取铀的化学处理过程(即前处理)。 由于乏燃料放射性活度强,裂变产物不断衰变产热,故曾称为热铀处理(Hot Uranium Processing),或辐照铀处理(Irradiated Uranium Processing),现习惯称为乏燃料后处理(Spent
4、 Fuel Reprocessing)。,核燃料循环体系, 铀矿石开采和冶炼 铀转化 铀同位素浓缩 核燃料元件制造 核电厂(反应堆) 乏燃料后处理 废物处理,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:核燃料获得、使用、处理、回收利用的全过程。 核燃料循环通常分成两大部分,即前端与后端: 前端包括铀矿开采、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。,6.2 核燃料循环前端, 铀矿地质勘探 铀矿石开采、选冶与 铀化合物的转化 铀的
5、浓缩 Uranium Enrichment 核燃料元件制造 Fuel Fabrication,核燃料的“诞生”,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规律指导普查勘探,探明地下铀矿资源。 铀资源的分布特点: 铀主要集中分布于地壳中,往地幔、地核分布显著减少。 铀并不稀少,在地壳中平均含量为2.510-4%,即每吨岩石中含有2.5g铀,比砷、钨、钼、锑、汞、银、碘、铋、金等元素的平均含量还要高; 但是,铀的分布极其分散,这是铀资源分布的一个显著特点。, 地壳中的铀,以铀矿物、类质
6、同象(形成含铀矿物)和吸附状态形式存在。 铀的化学性质活泼,易与其他元素化合,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。 铀在自然界中主要以+4价与+6价两种价态化合物形式存在: 4价铀的离子特征类似于钍等稀土元素,故常与这些元素共生;6价铀多以铀酰离子【(UO2)2+】形式存在,可与多种络阴离子形成铀酰络合物,或被层状构造矿物所吸附。 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。 中国已发现的59种铀矿物中,工业上重要的有: 含+4价
7、铀的晶质铀矿(含沥青铀矿)、铀石、钛铀矿等; 含+6价铀的硅钙铀矿、钒钙铀矿、钙铀云母、铜铀云母、钾钒铀矿等。,世界铀资源, 勘定储量:5Mt; 推测储量:25Mt; 包括海水中的铀:25Gt; 世界上重要的铀矿资源国家: 澳大利亚44% 哈萨克斯坦20% 加拿大18% 南非8% 美国、独联体、刚果、尼日利亚等。 我国的东北、西北、西南及中南地区都蕴藏有铀矿,世界铀资源分布,世界铀资源用于反应堆的产能效率,按能值折算为标准煤单位:Gt标准煤,*: 分离工厂贫铀中U-235含量取0.2%,铀矿地质勘探,地位和作用 不属于核燃料循环;提供铀矿储量信息。 铀矿种类和价值 已发现170多种铀矿床及含铀
8、矿物; 具有实际开采价值只有1418%; 一般铀含量0.10.3% ; 水银的50倍,黄金的1000倍 最高的含量21%(加拿大); 主要在花岗岩中。 影响铀矿床工业的主要因素 矿石品位;矿床储量;开采条件。 普查勘探工作程序 区域地质调查、普查和详查、揭露评价、勘探等; 地形测量、地质填图、原始资料编录等; 我国需要5年以上的时间。,野外勘探,遥感合成图,铀矿地质勘探,铀矿,铀矿地质勘探,核工业地质局 核工业北京地质研究院 核工业航测遥感中心 核工业西北地质局二八大队 核工业地质局二一六大队 核工业东北地质局二四三大队 核工业西北地质局二三研究所 核工业中南地质局二三研究所 核工业东北地质局
9、二四研究所 核工业华东地质局二七研究所 核工业西南地质局二八研究所 核工业华南地质局二九研究所,中国核工业总公司,铀矿石, 种类 沥青铀矿;钾钒铀矿等 铀含量 铀矿石平均含铀品位为:0.15 富矿: 0.3% 储量测量: 航空测量 谱仪 铀储量 探明储量:经过地质勘探,计算分析,得到的具体储量 预测储量:铀的矿床、矿田和成矿区域中比较有利的地区,根据这些地区的成矿条件推算出来的,铀矿石,铀矿石,铀矿,中国第一块铀矿石,我国的铀资源, 中国是铀矿资源不甚丰富 我国铀矿探明储量居世界第10位之后,不能适应发展核电的长远需要 矿床规模以中小为主 矿石品位偏低 一般在千分之一含量就要开采,成本较高;
10、开发堆浸、地浸技术,可降低成本。 我国逐步发现了花岗岩型38%、火山岩型22% 、砂岩型19.5%,以及碳硅泥岩型16%四大类型的铀矿床。 北方铀矿区以火山岩型、砂岩型为主 地浸 南方铀矿区以花岗岩型为主 堆浸,我国铀矿分布,我国的铀矿分布,已探明的铀矿 大小铀矿床(田)200多个 矿床以中小型为主 主要分布 江西、广东、湖南、广西,以及新疆、辽宁、云南、河北、内蒙 古、浙江、甘肃等省(区) 主要的铀矿床 相山铀矿田、郴县铀矿床、下庄铀矿田、产子坪铀矿田、青龙铀矿田、腾冲铀矿床、桃山铀矿床、小丘源铀矿床、黄村铀矿床、连山关铀矿床、蓝田铀矿床、若尔盖铀矿床、芨岭铀矿床、伊犁铀矿床、白杨河铀矿床
11、已经建成和新建的厂矿 衡阳铀矿、郴州铀矿、大浦街铀矿、上饶铀矿、抚州铀矿、乐安铀矿、翁源铀矿、衢州铀矿、澜河铀矿、仁化铀矿、本溪铀矿、蓝田铀矿、伊犁铀矿等,铀矿石开采和选冶, 铀矿开采的地位和作用 从地下矿床中开采出工业品位的铀矿石(含铀千分之一左右的矿有开采价值);或将铀经化学溶浸,生产出液体铀化合物。 铀矿的开采 露天开采 用于埋藏较浅的矿体; 方法剥离表土和覆盖岩石,使矿石出露,然后进行采矿; 穿孔爆破、采装、运输和排土; 机械化程度高、生产能力大、生产成本低、劳动条件好。 地下开采 (目前世界各国大多采用此法) 用于埋藏较深的矿体; 凿岩爆破; 井巷工程:决定了矿山基建时间。, 原地浸
12、出(地浸,化学采矿) 20世纪70年代中期在美国试验成功,并迅速推广应用; 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铀,并将浸出液提取出地表; 具有生产成本低,劳动强度小; 仅适用于具有一定地质、水文地质条件的矿床(砂岩型)。,湖南彬州选矿厂,特点 中国第一个铀矿 选矿厂位于矿附近 苏联技术 建于1960年 磁选分离,铀矿石的加工选冶, 铀含量 铀矿石中铀含量只有千分之几左右: 铀矿石平均含铀品位为:0.15;富矿: 0.3% 铀的矿冶工艺 从铀矿中提取、浓缩、纯化精制天然铀产品的过程 提炼方式 铀的选矿: 重力选矿、磁选选矿、放射性选矿 铀的水冶: 将铀溶解的化学反
13、应过程(用酸或碱的水溶液:酸法、碱法) 铀的纯化: 从纯净的溶液中提取铀(浓缩和纯化使铀和杂质分开) 达到较高和核纯级要求的产品 (天然铀) 冶炼产品:固态铀化学浓缩物 铀水冶: 铀化学浓缩物(黄饼) 纯化精制: 核纯级的铀精制产品(U3O8、重铀酸铵等,易于氢氟化) 还原为金属铀(或转化为UF6),浸出,铀矿开采,铀矿开采与矿冶,铀矿开采 从铀矿中提取、浓缩、纯化精制天然铀产品,提铀,矿石开采,铀的提取,矿石浸出,铀含量,0.1%0.2%,形态,矿石,矿浆,粉末,铀的精制,核纯铀,40%70%,陶瓷等,75%,我国的铀矿开采和矿石提炼能力,中国有几十座矿山、铀水冶厂、铀开采联合企业: 铀处理
14、厂主要在广东、江西、湖南等地 据IAEA信息,中国有1200tU/y的冶炼能力 正在运行的矿石处理工厂: 衡阳铀水冶厂,414厂,后改为272厂(1000t/y) 抚州铀水冶厂 (200t/y) 等。 两个已关闭。,我国铀矿采冶企业,中核金原铀业有限公司 核工业第四研究设计院 核工业北京化工冶金研究院 核工业江西矿冶局 核工业湖南矿冶局 核工业广东矿冶局 核工业甘肃矿冶局 核工业新疆矿冶局 核工业云南矿冶公司 属地化以后,核工业集团另外保留了8个矿(负责采矿)和1个工厂(衡阳272厂,承担铀的水冶任务)。,中国核工业总公司,我国铀矿石杂质分离的生产方式, 堆浸 矿石开采后运至处理厂浸出; 主要
15、以北方可地浸砂岩型矿床为主(新疆、东北、内,蒙古地区) 地浸 in situ leaching (ISL) 直接在矿井中浸出; 以南方硬岩为主。,堆浸提铀,目的 在一定工艺条件下,借助一些化学溶剂或其它手段,将矿石中有价值的组份,选择性浸出或者浸取 浸出方式 地浸 in situ leaching 直接在矿中浸出溶液的方式 堆浸 heap leaching 在矿地将矿石堆在一起,用溶液浸出的方式 原地爆破浸出工艺 先将矿石原地爆破破碎后浸出的方式 搅拌浸出(池浸) 将矿石运至水冶厂,在专用搅拌浸出池中进行的方式 浸出液 酸法:硫酸 碱法:碳酸钠、碳酸氨、碳酸氢钠等 细菌浸出法:将矿石中的硫化物
16、变成硫酸 浸出时间:310h,几十小时不等。 浸出率:85%97% (搅拌浸出),5%15% (堆浸) 浸出的矿浆 经固液分离得到含铀的清液或稀矿浆,矿石浸出,堆浸,池浸,矿石,黄饼,铀的提取和沉淀产出,目的 将浸出液中的铀与杂质分离 使铀得到部分浓缩 提取和沉淀方式 离子交换法 溶液萃取法 加入沉淀剂使铀化学浓缩物沉淀 将沉淀物洗涤、压滤、干燥 原料 含铀矿浆 产品 铀化学浓缩物 (黄饼) 重铀酸钠 重铀酸氨 含铀量40%70% 仍含大量杂质!,黄饼 yellow cake,中国第一座且最大的大型铀水冶纯化厂; 又名414厂,后名272厂; 建于1958年; 容量:1100tU/y,正常产量
17、:500tU/y; 用 A/IX (acid leaching酸法浸出/ion exchange离子交换)处理方法,磁选分离; 产品: U3O8。,湖南衡阳铀水冶厂,磨矿 矿石准备,矿浆浓缩池 浸出,江西抚州铀矿和铀矿加工厂,中国两大铀矿之一 铀矿加工厂 建于1976年 产品: U3O8 用 A/IX (acid leaching 酸法浸出/ ion exchange离子交换) 处理方法,磁选分离 容量:200tU/y,正常产量:300tU/y,铀的精制,目的 精制过程,生成核纯度的铀 转化成易于氢氟化的铀氧化物 精制方式 离子交换法 溶液萃取法 分布结晶法 原料 铀化学浓缩物 (重铀酸钠、重
18、铀酸氨) 产品 铀氧化物(U3O8、UO2等)、四氟化铀(UF4)等 煅烧 制取U3O8或UO2陶瓷,铀水冶产品-黄饼 yellow cake,水冶后的固态铀化学浓缩物 重铀酸铵,黄饼 精制后的铀氧化物产品 U3O8,黄饼 UF4 天然铀的原料 直接上国际市场 国际价格 20100$/kg U3O8,铀转化,将水冶产品铀浓缩物中的铀转换成核纯级铀金属或六氟化物(UF6)的全部物理化学 过程,铀转化工厂,六氟化铀,黄饼,中国有三座铀转化厂,主要集中在中国的西北地区; 即将建成在四零四厂的中国最大的集中铀转化厂,是我国规模最大的六氟化铀生产厂,铀化合物的转化,铀的多形态化合物 铀氧化物、碳化铀、氮
19、化铀、氢化铀、卤化物、六氟化物 热中子堆燃料常见:铀的氧化物、铀的卤化物 铀化合物转换 将水冶产品铀浓缩物中的铀转换成核纯级铀金属或六氟化物的全部物理化学过程 核纯标准 以硼当量的百万分之几的基准计算 当核燃料中有俘获中子的“杂质”时,将会降低核燃料的效能,铀的浓缩, 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。 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
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