核能开发及应用04 核燃料与核燃料循环

核能开发及应用第一章核燃料与核燃料循环

回顾核能核燃料循环链式裂变反应核燃料铀的同位素分离（铀的富集或铀的浓缩）

在富集前，须将铀的氧化物转换成UF6，采用气体扩散法或离心分离法浓缩。富集铀再根据不同的用途进行转换。生产反应堆燃料元件一般转换成UO2，制造核弹头一般用Ca等还原成金属。同位素分离的尾料可以还原成金属，制造贫铀装甲弹、贫铀穿甲弹。燃料元件的制造

燃料元件一般由燃料芯块、燃料包壳及其结构件组成。热通过燃料元件导出，并传给载热介质。核裂变产生的放射性裂变产物阻留在元件内。燃料元件反应堆中的产物

核燃料在反应堆中经过链式裂变反应后形成一个很复杂的体系，包括很多的产物：未用完的235U、238U、新生成的239Pu、以及裂变碎片和活化产物（近40种元素、上百种初级裂变产物，放射性核素达300余种），238U连续俘获中子生成的次要锕系元素。燃料后处理

从乏燃料中回收有用的可裂变物质，主要是铀和钚。还可以同时获得镅等次要锕系元素、其它有用的放射性同位素加以利用。铀、钚的回收率大于99%，裂变产物的去污系数（处理前后铀或钚中裂变产物的含量之比）达107～108。乏燃料运输容器放射性废物的处理

对于短寿废物采用地表处置，对于长寿命废液，经减容后进行水泥固化、玻璃固化（固体硅硼酸盐玻璃块），采用深地层埋藏处置。新技术：分离-嬗变法

先用化学方法，将废液中具有放射性的镅、锔等与其它裂变产物分离，将剩余部分经减容后进行玻璃固化，埋藏在深地层中。将镅、锔通过中子嬗变变成短半衰期或稳定的其他核素。核燃料循环叫做闭式(或闭合)燃料循环。大多数国家如：英、法、中国、联邦德国、日本、意大利、俄罗斯、阿根廷和印度等皆采用核燃料循环的方针，对于压水堆电站乏燃料进行后处理，以大大减少需要最终处置的放射性核素，并把铀和钚循环使用。美国、加拿大、瑞典等国家考虑对压水堆电站乏燃料不进行后处理，而直接包装或经切割后包装，然后送到深地层的最终处置库永久储藏起来。这样未经后处理也就是没有封闭的核燃料循环，称做一次通过。加拿大核发电用的是重水堆,燃料用天然铀，烧过后其中235U含量只有0.3％，所以对核燃料循环一直采取一次通过的方针。有些国家对于压水堆电站的核燃料循环也考虑采取一次通过的方针，这是因为这些国家的后处理和高放废液处理的费用十分高。但是，一个1000兆瓦的压水堆电站卸下燃料中所含锕系元素的放射性高达10万居里左右，把这样大量的极长半衰期的放射性核素长期埋在地下能否保证安全尚未肯定，把大量可以利用的238U和239Pu埋在地下废弃不用也是不合理的。铀-钚循环：在快堆中将238U转化为239Pu，并通过后处理把钚分离出来,作为快堆的燃料循环使用。在发展初期，可用压水堆后处理得到的钚作为装料；发展到一定规模后，就可用快堆自己增殖的钚作为燃料。钍-铀循环：在热中子堆中把232Th转化为另外一种核燃料233U，通过后处理把233U分离出来返回堆中循环使用。适于采用这种核燃料循环的堆型是高温气冷堆，其科研开发工作现已接近商业化阶段。在重水堆甚至轻水堆中，也可采用这种燃料循环方式，科研工作尚处于开始阶段。核不扩散：严禁扩散铀同位素分离技术、核燃料后处理技术、氘的重水生产技术，勘探：对矿床全面工业评价，查资源，定储量矿床指标：矿石品位，矿床储量勘探方法：放射性测量，如利用航空总计数测量、航空能谱测量及车载步行放射性测量，圈定放射性异常区。地球物理方法和遥感技术也受到重视。含铀量矿石等级>0.3%富矿0.1~0.3%中矿0.05~0.1%贫矿7、铀矿的勘探与开采铀储量矿床等级>5000t大型~1500t中型100~1000t小型铀在大陆地壳中的相对丰度铀矿铀矿铀矿铀矿铀矿BAR：可确保资源（可靠铀资源）EAR：预计可回收资源（估算的附加铀资源）世界铀储量：739万吨（BAR+EAR）海水：４０亿吨。成本高，只日本进行了试生产7.5kg。铀资源分类（IAEA）对于离地面较深的脉型矿床采用地下坑道开采法，其工艺复杂，成本高。对于离地面较浅的沉积型大型矿床采用露天开采法，剥离表土和覆盖岩石后，用大型机械开采，劳动条件好，回采率高，成本低。化学开采法：包括地浸和堆浸，其优点是不必进行挖掘开采和矿石加工，节约生产费用，可以开采不值得挖掘的低品位矿，只有很少的放射性被带到地面，减少矿工在地下工作的风险，但这种方法对地质条件要求严格，铀的浸出率和回收率低，最多只能达到50％，并可能对地下水造成污染。目前大多数采用地下开采法，少数使用露天开采法。开采出的矿石一般先经过物理选矿，筛选掉相当一部分废石，以提高待处理的矿石品位，减少铀矿石加工和精制的工作量。目前采用的物理选矿方法有放射性选矿、选择性磨矿选矿、浮游选矿、重力选矿和电磁选矿等。开采方法铀矿石预处理8、铀矿石的加工和精制破碎：初碎、中碎、细碎焙烧：提高有用成分的溶解度和降低杂质的溶解度，以利于后续的浸出处理；改善矿石的物理性质，以利于后续的磨矿处理和浸出后的液固分离。方法：氧化焙烧、加盐焙烧和改善物理特性的焙烧。磨矿：研磨成一定粒度的原料。水冶：由于铀矿石的加工过程多采用湿法化学处理，称为铀的水法冶金(又称湿法冶金)。浸出（浸取，固—液萃取）：是一种固—液接触的操作过程，用固体中的一些成分易于溶解在一些液体中，而将其提取到液体中，进行后续的加工。铀矿石浸出的主要目的：是把铀从矿石转入溶液，浸出处理矿石的液体称为浸出剂或浸取剂，完成浸出过程后的浸出剂叫做浸出液或浸取掖。浸出率：浸出后转入浸出液中的铀量与浸出前矿石中总铀量的百分比。由于浸出剂有选择性溶解作用，矿石中有的杂质元素不被浸出或难被浸出，所以浸出过程也是铀与杂质元素的初步分离过程。铀矿石的浸出是铀水冶的第一步。铀矿石的浸出主要采用酸法和碱法酸浸出剂：硫酸（硝酸、盐酸成本高等，较少使用）步骤：需加入氧化剂，如氯酸钠，每吨矿石用量为1.36kg，将矿石中的铀氧化成6价。采用液固比(浸出液与矿石的质量之比)为0.6—1.2。在40一80℃下浸出3—8h，铀的浸出率为85％一97％。对含碳酸盐较多的矿物，常用