核能开发及应用05 核燃料与核燃料循环

1、核能开发及应用核能开发及应用 第一章第一章 核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环 o 铀矿石浸出得到的浸出液中，铀的浓度仍然很低，每升溶液 仅含铀几百毫克至1-2g，溶液中含有大量杂质，包括中子吸 收截面高的元素，如硼(B)、镉(Cd)、稀土(RE:Rare Earth Element)、氯(Cl)等，以及可形成挥发性氟化物的元素，如钼 (Mo)、钨(W)、铬(Cr)、钒(V)等，因此必须从这种浓度低、含 有大量杂质的浸出液中，对铀进行提取和浓缩，制备较纯的 铀化合物，然后再进一步纯化去杂质，得到纯铀化合物。 o 方法：化学沉淀法、离子交换法、溶剂萃取法 o 对铀浓度低的清液或矿浆，用离子交换

2、法为好。 o 对铀浓度高的清液，用溶剂萃取法更为合适。 铀的浓缩与纯化铀的浓缩与纯化 o 许多无机化合物在水溶液中以阳、阴离子的形式存在。有些固 体材料上的离子容易与水溶液中的离子进行交换，这些固体材 料叫做离子交换树脂，可以进行阳离子交换的树脂叫阳离子交 换树脂，可以进行阴离子交换的树脂叫阴离子交换树脂。离子 交换树脂与水溶液的离子进行交换的过程叫做离子交换。水溶 液中有的离子容易进行交换，有的不容易进行交换，这样就可 以实现分离。进入树脂的溶液叫吸附液。交换上去的离子被树 脂吸附，然后再用适当的试剂把它从树脂上洗脱下来进行回收 ，这个过程收做淋洗。 o 使铀浸出液通过离子交换树脂，铀容易被

3、吸附上去，而杂质不 容易被吸附，再用比较少量的淋洗浓将铀淋洗下来，从而实现 了铀的浓缩和初步纯化，这就是用离子交换法提取铀。 离子交换法离子交换法 o 用离子交换法提取铀一般用阴离子交换树脂阴离子交换树脂，因为不论是用 酸法浸出还是用碱法浸出，都可以在浸出液中形成铀的阴离 子，但作为杂质的金属不易形成阴离子，因而可以通过阴离 子交换选择性地吸附铀。用于铀水冶厂的典型阴离子交换树 脂是强碱性的季铵型树脂。 o 20世纪40年代，人们升始研究用离子交换法提取和浓缩铀。 1952年以后，许多铀水冶厂采用离子交换法处理蚀浸出液， 这是由于离子交换池的选择性好，能得到纯度较高的铀浓缩 液，离子交换树脂可

4、以循环使用，试剂消耗量较小，并能从 矿浆中提取铀。但是离子交换法存在着生产速度慢，树脂对 铀的吸附容量小，不便连续操作等缺点。 o 溶剂萃取又叫作液-液萃取，简称萃取。它是使不互溶或基 本上不互溶的两液相互接触，利用各组分在两相间不同的 分配关系，使组分从一浓相传入另一液相，从而实现组分 间分离的过程。 o 需要进行分离处理的液相称为原料液或料液，另一个液相 称为溶剂。经过两相充分接触后，原料液中的溶质分配在 两相中达到平衡。而后使两相分离开来，料液成为萃余液 ，溶剂成为萃取液。一般情况下，料液是水溶液，称为水 相，溶剂是有机物，称有机相。纯的溶剂叫萃取剂，萃取 后的溶剂叫萃取液。 o 在通过

5、萃取实现了组分的分离后，为了回收进入萃取剂中 的组分，需要用与萃取剂不互溶的另一液相与其接触，使 组分进入该液相，这个过程叫作反萃取，简称反萃。进行 反萃的另一液相就叫反萃液。有时在反萃前还要用纯水或 酸、碱、盐的水溶液对萃取别处理一下，这个过程叫做洗 涤。 溶剂萃取法溶剂萃取法 o 精制主要用溶剂萃取法进一步去除杂质，制成核纯的铀化合 物，并通过沉淀制成铀氧化物(二氧化铀、八氧化三铀、三 氧化铀)。为了进行铀的同位素分离，需进行铀的转化，即 将铀的氧化物转化成四氟化铀、六氟化铀，也可转化成金属 铀进行其他的应用。 铀的精制与转化铀的精制与转化 o 铀水冶厂得到的铀化学浓 缩物，一般为重铀酸盐

6、或 三碳酸铀酰盐。这些浓缩 物在纯度和化学形态上都 不能满足应用要求，因而 需要进一步精制(纯化) o干法为美国阿贡国立实验室开发的无水氟化物挥发法，即将铀浓缩物直 接氟化，然后再将得到的六氟化铀进行纯化，就可得到核纯产品。 o工程上采用分段氟化的方法，把氟化反应器分为低温区和高温区，四氟 化铀首先在低温区(250 以下)生成中间氟化物，然后把中间氟化物送入 高温区，进一步转化为六氟化铀。高温区温度的选择以设备材料不受腐 蚀和物料不发生烧结为准。氟化反应设备主要有流化床反应器、火焰反 应炉和螺旋搅拌反应器。 o四氟化铀制备金属铀的方法：用高纯的金属镁或钙进行还原。反应在还 原反应器(反应弹)中

7、进行，还原反应器具有钢制外壳，内部用高纯耐火材 料氟化钙或氟化镁作衬里。将四氟化铀粉末和钙屑或镁屑均匀混合后装 入反应弹。用钙还原时在弹内加热或点火，用镁还原需把反应弹放入电 炉中加热，使物料温度达到600一700。反应一旦开始就迅速自发进行 ，在很短的时间内即可完成。此时弹内温度超过铀的熔点，达到1600 以上。熔化的金属铀聚集在反应弹的底部，氟化钙或氟化镁形成熔渣浮 在金属表面。冷却后洗去熔渣，再用酸洗和喷砂清理表面得到粗铀锭。 粗铀锭可直接应用，也可在真空感应炉中进一步纯化后再使用。钙热还 原的规模可以根据需要从几公斤、几十公斤、几百公斤直到上吨级。直 径0.3一0.4m，高1m的反应弹

8、，每次可制备约100kg的粗铀锭。大型反应弹 的生产能为可达1t以上。在通常情况下，反应弹可反复使用150次。 铀的精制方法：干法铀的精制方法：干法 o一般都采用经典的湿法处理，包括化学沉淀法、离子交换法和溶剂萃取 法等。 o目前多采用溶剂萃取法。萃取法的优点是选择性好，回收率高，设备简 单且容易实现连续化生产和自动化。可使用的萃取剂有二乙醚，甲基异 丁酮和磷酸三丁酯(TBP)。 o将铀化学浓缩物用钢筒由水冶厂运抵转化厂，先把铀的化学浓缩物溶解 于硝酸中，经过滤后，用磷酸三丁酯进行萃取分离，再用1的硝酸溶 液或蒸馏水反萃得到高纯度、高浓度的硝酸铀酰溶液，硝酸铀酰浓度一 般为100一300g/L

9、，硝酸浓度为0.05mol/L左右。 o先将硝酸铀酰溶液加热蒸发结晶，冷却至室温，得到黄色晶体硝酸铀酰 六水合物UO2(NO3)262O，然后将硝酸铀酰水合物加热至300热解脱 硝生成三氧化铀 铀的精制方法：湿法铀的精制方法：湿法 世界上绝大多数核电站都使用铀-235含量为2-5 的低富集铀作核燃料，一些研究堆和快堆需要丰度 较高的燃料，如游泳池式堆需要铀-235丰度为10的 核燃料，快堆燃料含铀-235达25，高通量堆则需要 90的高浓铀。核武器的核材料也要用90的高浓 铀。将天然铀的丰度提高，是通过铀-235和铀-238同 位素分离实现的。铀同位素分离又叫铀-235的富集( 过去叫铀的浓缩

10、)。铀的同位素分离在核燃料循环中 是十分重要、十分敏感的技术。 9 9、铀的同位素分离、铀的同位素分离 o 利用同位素热力学性质上(相平衡和化学平衡)的差异 精馏、化学交换(单温、双温)、色谱(色层)、吸收、萃取 、结晶和吸附诸方法。 o 利用扩散性质上的差异 气体扩散、靶膜扩散、气体离心、热扩散、质量扩散、分 子精馏 (利用蒸发及扩散性质)等方法。广泛地讲，空气动 力学诸方法也属这一类。 o 利用电磁场或电场中物理性质的差异:电磁法。 o 利用空气动力学性质上的差异：喷嘴、南非法、射流法 o 利用吸收光谱上的差异 分子激光、原子激光 o 利用生物效应上的差异 o 利用化学反应速度的差异：光化

11、学反应，电解等 同位素分离基本原理同位素分离基本原理 o 由于铀-235和铀-238的物理性质和化学性质相同，共差别 只是原子核的质量数相差3，铀同位素分离就是利用这个 原子核质量数的微小差别致使在反应程度或反应速度上 出现的微小差别而采用物理或化学方法进行分离的。分 离需要庞大的设备，消耗大量的能量。 o 铀同位素分离法是第二次世界大战期间美国实行第一颗 原子弹计划曼哈顿工程(Manhattan Project)开始发展起 来的。在20世纪60年代研究了多种方法，但迄今只有三 种具备工业价值的分离方法：即气体扩散法、气体离心 法和空气动力学法。正在研究的方法：激光法和化学交 换法 铀位素分离

12、基本原理：铀位素分离基本原理： p 分离单元：同位素分离工厂中最小的单位，如一个气体扩散 机、一个气体离心机。一个分离单元有一股进入物料流(供料 即原料)，两股流出物料流(浓料、贫料或称尾料或贫化流)。 p 级或分离级：一个分离级由一个分离单元组成，或由几个分 离单元并联而成。 p 级联：级联一般由很多分离单元串联、并联而成。 p 分离功(SWU)。为达到一定的富集度需要做的功。理论上在 温度为58时，富集铀过程每个SWU702kwh，在实际过程 中，每个SWU接近3000kWh。有的书中把分离功定义：从 2.3kg天然铀生产1kg含1.4铀235的低浓铀且尾料为0.2铀 235所需要的功。分

13、离功是铀同位素分离工艺的耗功度量， 铀同位素分离厂的生产能力都用SWU的数量表示，而不是用 富集产品的数量表示。 铀同位素分离的术语：铀同位素分离的术语： p 每个分离单元的分离效果都很小，要达到分离要求，要把大 量的分离单元并联、串联起来。 p 要求被分离的铀物料为气态，六氟化铀是目前惟一的易挥发 的铀化合物，六氟化铀在室温下是固体，其三相点为64C， 因此温度稍高就挥发为气体。处理六氟化铀的问题是毒性高 、腐蚀性强。 p 分离功价格高昂，核燃料富集的成本占总燃料成本的比重较 大。 铀同位素分离方法的特点：铀同位素分离方法的特点： p 原理：两种不同分子量的气体混合物在处于热运动平衡时， 具

14、有相向的平均动能，由于质量(分子量)不同，因而速度不 同，其平均速度与质量的平方根成反比。较轻的分子的平均 速度较高，当由两种分子构成的气体混合物通过扩散膜时， 较轻分子和扩散膜碰撞的机会比较重的分子多，从而可以实 现一定程度的分离。为实现分离，要求尽量不发生分子的相 互碰撞，因而要求扩散分离膜的孔径应小于气体分子运动的 平均自由程。 p 条件：气体压力必须足够低，膜必须很薄，膜的孔径必须足 够小，约为0.01-0.03m。当六氟化铀气体流过时，一部分气 体从高压腔通过扩散膜进入低压腔，从而在膜的两侧形成了 铀-235的微小浓度差。经过一系列分离级，就可达到对铀- 235和铀- 238的分离要

15、求。 气体扩散法气体扩散法 o 扩散分离器：又叫扩散筒，分离器一般做成圆桶形，在分离 器内安装着一定形式、一定数量的扩散分离膜。分离膜大致 有金属膜、陶瓷或非金属无机物胺，聚四氟乙烯膜三种，工 业上一般采用烧结镍和阳极化的铝作为膜材料。每个分离器 都有一个进料口，两个出料口和一个贫化流 o 压缩机：在分离膜两边必须维持一定的压差。 o 热交换器(冷却器)：压缩机压缩六氟化铀气体后，气体温度 会升高，需要热交换器进行冷却使气体温度保持恒定。 o 调节器：用来调节分离级的流量，一般装在重流分管道上 o 管道及测量仪表等： 用于联结分离级及测量分离级的流量、 温度、压力等参数。 完整的气体扩散分离级

16、完整的气体扩散分离级 p 实际分离系数一般为1.003。由于铀-235和铀-238的分离系数 非常小，为制得3的铀-235，需要把1200多个扩散分离级串 联起来，为制得5的铀-235，需要约1500个扩散级。生产90 以上铀-235的高浓铀，则需要几千个扩散级。但过程简单 ，设备可靠性好， o 气体扩散厂由于需要把气体不断重新压缩，又有废热需要排 出，因而要消耗大量电能，每单位分离功耗电2500一3000 kw h，并消耗大量的冷却水。美国原子能委员会的扩散工厂 生产能力为17000t分离功单位年，每年使用的总电力为600 万千瓦总循环水量为510万吨日，生产成本为每公斤分离 功单位32美元。 o 又叫离心法，是用强离心力场作用实现轻、重同位素分离 的方法。在高速旋转的离心机中，轻、重同位素的气体混 合物在离心力的作用下，较重的分子靠近离心机的外周浓 集，较轻的分子在靠近轴线处浓集，因而可以分别引出略 为贫化和略为浓缩的两种流分。 o 离心机的转速越高，分离系数越大，生产能力也越大。因 此要求离心机能达到很高的转速，一般要求其外周速度为 300-500m/s，对于直径10cm的转筒，这相当于转速高达每 分钟6万-10万转，因而对转