第六章 核燃料循环

核工程导论第六章核燃料循环NuclearFuelCycle张继革上海交通大学2010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6.1核燃料循环体系NuclearFuelCycle前端后端NuclearFuelCycle核燃料循环系统铀矿石开采和冶炼铀转化铀同位素浓缩核燃料元件制造核电站乏燃料后处理废物处理前端后端核燃料的制造六氟化铀黄饼矿石冶炼转化浓缩芯块烧结组装组件6.2核燃料循环前端世界铀资源铀矿地质勘查铀矿石开采和选冶Mining铀水冶UraniumOreProcessing铀化合物的转化Conversion(UO2,UO3,UF4,UF6,U3O8,U)铀的浓缩UraniumEnrichment核燃料元件制造FuelFabrication(AGR,FBR,GCR,LWR,MAGNOX,MOX,PHWR,RBMK,Pellets)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世界铀资源分布加拿大哈萨克斯坦澳大利亚南非美国价格世界铀资源用于反应堆的产能效率天然铀资源用于热中子反应堆用于快中子反应堆不回收核燃料回收核燃料并复用钚复用钚勘定储量：5Mt811182368850推测储量：25Mt405590118044250包括海水中的铀：25Gt4050059000118004425001t天然铀的产能值（MWd/t）5500*8000*16000*600000折算为标准煤吨数1622523600472001770000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％铀矿地质勘查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多种铀矿床及含铀矿物•具有实际开采价值只有14~18%•一般铀含量0.1~0.3%,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查铀矿铀矿地质勘探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Ｏ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Ｏ三研究所核工业中南地质局二三Ｏ研究所核工业东北地质局二四Ｏ研究所核工业华东地质局二七Ｏ研究所核工业西南地质局二八Ｏ研究所核工业华南地质局二九Ｏ研究所核工业总公司铀矿石种类•沥青铀矿•钾钒铀矿铀含量•铀矿石平均含铀品位为：0.15％•富矿：0.4%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放大10000倍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•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%和碳硅泥岩型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堆浸我国铀矿分布图广东湖南江西云南广西浙江新疆河北陕西我国的铀矿分布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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Mining地位和作用•从地下矿床中开采出工业品位的铀矿石•或将铀经化学溶浸，生产出液体铀化合物铀的开采•露天开采：露天出入沟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：井巷掘进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•原地浸出（地浸）insituleaching,ISL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）湖南彬州放射性选矿厂特点•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－冶炼UraniumOreProcessing铀含量•铀矿石中的铀含量只有千分之二铀矿石平均含铀品位为：0.15％富矿：0.4%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将铀溶解的化学反应过程（用酸或碱的水溶液）•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)产品•固态铀化学浓缩物铀水冶重铀酸铵（黄饼）、三碳酸铀铵纯化精制核纯度的铀氧化物（U3O8黄饼）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铀含量0.1%~0.2%形态矿石矿浆粉末核纯铀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中国的铀处理厂在矿山附近。主要在•广东、江西、湖南等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hengjian铀水冶厂（200t/y）两个关闭•xx•伊宁（新疆）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）。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（mill）浸出•主要以北方可地浸砂岩型矿床为主（新疆、东北、内，蒙古地区）地浸insituleaching(ISL)•直接在矿井中浸出•以南方硬岩为主堆浸提铀目的•在一定的工艺条件下，借助于一些化学溶剂或其它手段，将矿石中有价值的组份，选择性地浸出或者浸取浸出方式•地浸insituleaching直接在矿中浸出溶液的方式•堆浸heapleaching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：将矿石中的硫化物变成硫酸•浸出时间：3~10h,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yellowcake•中国第一座且最大的大型铀水冶纯化厂•又名414厂、272厂•建于1958年•容量：1100tU/y，正常产量：500tU/y•用A/IX(acidleaching/ionexchange)处理方法，磁选分离•产品：U308product湖南衡阳铀水冶厂矿浆浓密池浸出磨矿矿石准备江西抚州铀矿和铀矿加工厂中国两大铀矿之一Hengjian铀矿加工厂•建于1976年产品：U308product用A/IX(acidleaching/ionexchange)处理方法，磁选分离•容量：200tU/y，正常产量：300tU/y铀的精制目的•精制盐过程，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陶瓷铀精制厂铀水冶产品--黄饼yellowcake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•20~100$/kgU3O8铀转换conversion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浓缩enrichment天然铀（0.7%U235）低浓缩铀（3~5%U235）U235铀同位素分离扩散机群Gaseousdiffusion铀同位素离心级联Ultracentrifugation铀浓缩铀－235同位素的浓度天然铀：0.712％（CANDU）浓缩铀：2(轻水堆)~10％，低浓缩铀、高浓缩铀贫料铀：0.2%（未料）铀浓缩--同位素分离日本的浓缩厂青森県上北郡六ヶ所村大字尾駮字野附铀同位素分离扩散机群Gaseousdiffusion铀的浓缩用于大多数核电站动力反应堆铀燃料的主要形式：UO2铀－235同位素的浓度•天然铀：0.712％（CANDU）•浓缩铀：2(轻水堆)~10％，低浓缩铀、高浓缩铀•贫料铀：0.2%（未料）因为同位素有几乎相同的化学特性，不易用化学分离铀的浓缩是精炼油的物理过程•利用微小质量差分离U238和U235•需首先将氧化物转换成六氟化铀气体:UF6浓缩厂的最终产品为UF2铀的浓缩方法•气体扩散法最成功、最经典的方法轻同位素气态时移动较快，通过多孔分离膜抽取，如3%浓、0.2%贫,需要3900级美国、法国等使用•气体离心法通过重力和离心场，重的在外单位分离功耗电只是气体扩散法的5%，成本下降了75%日本、欧洲等•气体喷嘴法高速吹向凹型壁，惯性和离心力使重物近壁面•激光分离法利用吸收光的能级不同，用激光进行选择性的激发，并使其离子化，几乎可以达到同位素完全分离，是最有希望的分离方法商业上尚未得到试验验证美国、日本在研究世界各地的铀浓缩厂法国意大利西班牙伊朗英国德国美国气体扩散法气体扩散法燃料元件制造燃料芯块压水堆燃料组件重水堆燃料组件化工过程(将UF6转化为UO2)压制过程(陶瓷)元件总装组件组装核燃料元件制造fuelfabrication核燃料特性•高热导率•抗辐照能力避免肿胀、开裂、蠕变引起的变形•化学稳定性防止与冷却剂的化学反应•高的熔点•易加工的物理、力学性能•低膨胀系数•含较高浓度易