搜索
综合知识第五章核燃料循环设施-2-内容•第一节铀矿地质勘探•第二节铀矿开采•第三节铀的提取和精制•第四节铀化合物的转化•第五节铀浓缩•第六节燃料组（元）件制造•第七节乏燃料及其后处理-3-内容•核燃料循环：核燃料所经历的包括燃料提取和加工、核能利用和乏燃料后处理等一系列步骤。•核燃料循环前段：铀矿勘探、开采与冶炼、铀转化、铀同位素富集（铀浓缩）、燃料元件制造。•核燃料循环后段：乏燃料后处理、回收铀再富集、铀/钚再制成燃料。回收铀输电网铀矿勘探铀矿勘探、开采精制（纯化）铀浓缩铀转化浓缩六氟化铀天然六氟化铀贫化铀反应堆废物处理和处置乏燃料后处理钚乏燃料燃料元件制造发电机新燃料组件水冶-5-第四节铀化合物的转化一、铀转化的主要过程及其工艺特点•铀化合物(形态、价态)的转化（简称“铀转化”）过程是核原料生产工艺的一部分，是联系各个环节的纽带。（铀矿水冶精制、元件加工UO2粉末制备、乏燃料后处理尾端都有铀转化过程）•本节仅讲述由天然铀精制的铀氧化物制成UF4，再转成UF6，及其还原的过程。-6--7-一、铀转化的主要过程及其工艺特点（续）干法气-固相反应，工艺特点：•固体的反应性（活性）很重要。•固体颗粒的形貌及结构与原料有关。•体系处于瞬变状态。•有较高（≥95％）的转化率。•在较高的温度下进行，伴随发热。•在含HF、F2等强腐蚀性的气体中进行（设备用耐腐蚀材料制备）。-8-二、四氟化铀的生产UF4—制备金属铀和UF6的原料。制备金属铀（金属品位）和生产UF６（级联品位）。前者的质量要求比后者高。1．UF4制备有湿法与干法方法比较湿法：溶解UO2，加入氢氟酸，生成的沉淀经过滤、干燥和煅烧，得无水UF4。有纯化作用，但工序多，废液多，成本高。干法：高温下用气态无水氟化氢（HF）与UO2反应得UF4。铀回收率高、废液量很少、工艺简化、成本低，但对原料要求严，流程适应性差，无水HF过剩量较大，对杂质的纯化差。-9-二、四氟化铀的生产（续）2．UO2氢氟化工艺过程及其主体设备•干法生产工艺组成：由UO2原料与无水HF的供给系统、UF4反应器系统、尾气中HF回收及处理、产品处理及包装几部分。•设备主要有：卧式搅拌床、流化床和移动床三类。流化床反应器气-固相接触好，能强化反应，反应速率快，传热与传质效率高，温度均匀，设备生产强度大而且简单。目前工业上常采用两极串联流化床。-10-三、六氟化铀的生产制备UF6•UF6是唯一的一种既稳定（气、液、固三态的变化）又具高度挥发性的铀化合物，被用于铀同位素富集工厂的供料。•生产UF6用核纯级的UF4在高温下与F2发生作用。氟化要使用过量的氟气，而且过量的氟气须再循环。•UF6生产：由氟化、UF6冷凝收集、氟气回收和尾气处理四部分组成。-11-三、六氟化铀的生产（续）⑴制备UF6反应器（由UF4氟化）•火焰炉反应器：UF4细粉末分散在350-537℃的氟气中发生燃烧，反应在火焰中进行。设备紧凑，生产强度大，但对UF4粉末的纯度、粒度及其分散装置要求严，炉体腐蚀重，残渣量多，氟气过剩量大。•流化床反应器：反应器内的固体颗粒能迅速混合，全床层处于等温状态，易控制温度，传热与传质优良。床料烧结少。对原料的适应性强，易操作调节，但设备尺寸大，生产强度低，且氟气剩于量大和灰渣率多。-12-三、六氟化铀的生产（续）•立式氟化炉：兼容火焰炉和流化床的优点，有良好的气-固相接触，一定程度逆流，氟气过剩量小；灰渣率极低；生产强度小于火焰炉，但比流化床高；设备简单，工作温度低，对原料中的Na、K含量要求不严。我国是采用立式氟化炉制备UF6•卧式搅拌炉：完全的气-固相逆流接触，氟气耗量接近化学计算量。但设备传热性不好，只适合在较低温度下氟化，产率低，容易发生中间氟化物烧结，操作困难。-13-三、六氟化铀的生产（续）⑵UF６产品的收集氟化后混合气中UF６含量30%-90%，其余为F2、HF、N2、O2等不凝性气体。收集UF６有凝华和液化两种过程：•凝华过程：由气态经冷却直接转变为固态的过程。冷凝器内设有档板或翅片。按冷却剂（如乙二醇水溶液）带走热量的方式，分内冷式和外冷式。常用两级串联间歇操作。冷凝器出口处设高效滤网。-14-三、六氟化铀的生产（续）•液化过程：将含UF6的混合气体压缩至151.7kPa以上且导入冷凝器（水冷却），UF6即被液化。此传热效率比冷凝成固态UF6时要大得多，缺点是压缩的压力高，且一次回收率低，须加一级冷冻冷凝。-15-三、六氟化铀的生产（续）•UF6装运容器：由于受临界质量的限制，富集度超过3%用内径5英寸的钢瓶；天然铀和贫化铀用内径为30英寸和48英寸的钢瓶。钢瓶中的UF6在常温下则为固态。需要使用UF6时，将其加热到三相点温度（64.1℃）以上，UF6变成气态用作供料。-16-三、六氟化铀的生产（续）⑶氟气回收•由氟化反应器排出的气体中含20%-40%F2，须设气体净化并循环利用系统。一部分补加F2再循环到氟化反应器中；其余导往二次反应系统（氟气净化系统）与过量的UF4反应，生成中间氟化物和UF6。所得固体返回氟化反应器作为供料，气体则经过滤后送入二级冷凝器进一步收集UF6，尾气送吸收系统处理。-17-三、六氟化铀的生产（续）⑷尾气处理从第二级冷凝器排出的不凝气体中，残留有UF6、F2和少量HF等有害气体，排放前处理，以回收铀并防止铀和氟对环境的污染。•固体化学阱法—用活性Al2O3、CaSO4、NaF、活性碳和碱石灰等捕集。•UF4吸收法—用UF4来吸收F2。•碱液洗涤法—用碱液（KOH或K2CO3溶液）洗涤第二级冷凝器排出的尾气。-18-三、六氟化铀的生产（续）3．由再循环铀生产UF6⑴再循环铀的特点：又称后处理铀（REU），放射性活度比天然铀大得多，含少量放射性裂变产物（如99Tc和106Ru）和超铀元素（钚、镎等）；另有232U和236U。232U衰变子体积累使其γ剂量率随时间而显著增加，须增设屏蔽。236U是一种中子吸收剂，用循环铀再富集时需要额外的分离功。⑵再循环铀的转化：化学转化过程无区别，但需考虑厂房与设备的屏蔽和气密性问题；对富集铀应注意核临界安全。转化过程可对产品实现净化。-19-四、六氟化铀还原六氟化铀最终加工成UO2或金属铀。前者可直接用于反应堆的燃料芯体制造；后者则先要将其转化成UF4，再用Ca或Mg还原成金属。六氟化铀还原成UF4方法：⑴氢气还原法—目前应用最广，产品的堆密度大、生产能力大，而且操作特性好。⑵四氯化碳还原法—控制温度150度以上，且CCl4过剩（小批量且高富集度）。⑶氨还原法—与NH3反应生成中间产物NH4UF5，再在惰性气氛中分解得UF4。-20-第五节铀浓缩一、铀浓缩的基本概念1．铀浓缩的必要性和重要性•铀-235是唯一天然存在的易裂变核素，在天然铀中丰度为0.711%；铀-238占99%以上。•在热堆中，除少数重水堆、石墨气冷堆用天然铀外，轻水堆需用铀-235丰度约为2—5%低浓缩铀燃料；一些研究试验堆和快堆要用富集度更高的燃料；高通量的材料试验堆则需要90%以上的高浓铀。•铀浓缩指用人工方法使铀-235丰度增加的过程。铀浓缩任务：将天然UF6生产浓缩UF6。-21-一、铀浓缩的基本概念（续）2．分离功的基本概念和定义浓缩铀的度量单位。把一定量的铀富集到一定的铀-235丰度所需要投入的工作量叫做分离功（SWU），以kgSWU或tSWU为单位。-22-二、浓缩铀生产的基本原理铀-235和铀-238的化学性质相同而仅在质量上有微小差别。生产方法：1．气体扩散法原理：基于两种不同分子量的气体UF6混合物在热运动平衡时，两种分子具有相同的平均动能而速度不同。较轻分子的平均速度大，与容器壁或多孔隔膜的碰撞次数（几率）相对重分子多。隔膜含有容许分子通过的无数微孔。两种组分就以不同的速度通过多孔膜（又称扩散膜或分离膜）而扩散。当UF6气体通过扩散分离时，在过膜的低压侧铀-235有微小加浓，在不过膜的高压侧铀-235被贫化。-23-二、浓缩铀生产的基本原理（续）1．气体扩散法（续）扩散分离级的主要组成部分：①分离器—圆筒形，内装几千支膜管（直径几厘米，长约1—1.5m）。②压缩机—往分离器连续供料并提供为维持扩散膜两侧压差所需的压头。③热交换器—UF6气体被压缩后，温度升高，用热交换器带走热量，使温度保持恒定。气体扩散法轻馏分低压扩散膜中压高压热交换器压缩机供料重馏分123-25-二、浓缩铀生产的基本原理（续）1．气体扩散法（续）分离系数-分离效果的量度，分离级前后所需同位素（铀-235）的相对丰度比。-理论分离系数1.0043；实际分离系数为1.002。-由于单级的分离效果极小，为得3%的低浓铀产品，需把一千多级扩散级串联起来组成级联。-由于必须把气体不断地重新压缩，使它通过扩散膜，要消耗大量的电能。-26-二、浓缩铀生产的基本原理（续）2．气体离心法•在高速旋转的离心机中，由于离心力场的作用，较重的分子靠近外周富集，较轻的分子靠近轴线富集。从外周和中心分别引出气体流，可得略为贫化和略为富集的两股流分。为提高分离效应，可用加热或机械方法驱动转子内旋转的气体造成一个轴向流动的逆向环流。•离心机（见图3－2）的能力取决于转筒的转速和长度。转速越高，分离能力越大。用高比强度材料（如高强铝合金、马氏体时效钢、玻璃纤维和碳纤维复合材料）提高转速；或发展超临界离心机，增加转子的长度。-27-二、浓缩铀生产的基本原理（续）2．气体离心法（续）•气体离心法的优点①比能耗低，约为气体扩散法的4—10％。②单机浓缩系数（分离系数与1之差）大。离心机在0.2，而气体扩散法仅为0.002。为得3%的低浓铀，气体离心法只需要十几级的级联。气体扩散法需要近千级的级联，相差两个数量级。③技术发展潜力大，单机分离能力可不断提高，分离功成本大降。•实用时，在各级中并联很多单机；离心机厂需并联、串联几万台甚至几十万台离心机；实际应用的关键在于离心机造价低、运行寿命长。-28-二、浓缩铀生产的基本原理（续）3．激光法•优点是分离系数大，一次分离即可获得高浓缩铀，但技术难度大，离工业应用较远。•处于开发阶段，基本原理：利用同位素质量差所引起的激发能差别，根据不同同位素原子（或由其组成的分子）在吸收光谱上的微小差别（称为同位素位移），用线宽极窄即单色性极好的激光，选择性地将某一种原子（或分子）激发到特定的激发态，再用物理或化学方法使之与未激发的原子（或分子）相分离。-29-三、浓缩铀生产的工艺流程1．级联•级联的组成单位是分离级；分离级间串联组合级联。分离级可是一个分离单元，也可是并联的数个分离单元。工厂中，每一级的精料作为下一级的供料，同时每一级的贫料返到上一个较低丰度的级再参与分离，形成与不断浓缩的精料流反向流动的贫料流，称为逆流型级联。•级联的最少分离级数与分离系数有关。-30-三、浓缩铀生产的工艺流程（续）2．工艺流程概述•原料UF6经加热以气态供入级联分离，当235U被浓缩到所需丰度时，装入冷冻状态下的产品容器，再液化均质，取样合格后入成品库；贫料UF6装入冷冻状态下的贫料容器，固态化后送贫料场暂存。•主工艺系统：级联、供取料、产品液化倒料、物料贮存运输、沾污容器和设备清洗、废液处理、设备检修等。公用系统：供电供水、水处理、冷冻水、汽、压空、液氮、空调、通讯与报警、实物保护、防火等。-31-三、浓缩铀生产的工艺流程（续）3．铀浓缩工厂的基本特点⑴工作介质为六氟化铀，化学性质活泼，腐蚀性强。⑵工艺系统的高度密封性和清洁度—主工艺回路负压下工作，须保持其真空密封。若遭破坏，空气中水份与六氟化铀作用后会形成雾状物。⑶长期运行的安全性与可靠性—级联装置一旦启动，要求寿期内连续运行。要求可靠的供电。-32-第六节燃料元（组）件制造一、核燃料组件简述•核燃料组件是核电厂的发热源。PWR核燃料组件：由封装了易裂变材料的核燃料元件棒按一定规律排列组成。主要由上下管座、格架、控制棒导向管和燃料元件棒组成。•核燃料的能量高度集中。一座1GW的PWR核电机组每年补充新燃料约24tLEU，在堆内使用3—