核能開發(fā)及應(yīng)用04 核燃料與核燃料循環(huán)

核能開發(fā)及應(yīng)用第一章核燃料與核燃料循環(huán)

回顧核能核燃料循環(huán)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)核燃料鈾的同位素分離（鈾的富集或鈾的濃縮）

在富集前，須將鈾的氧化物轉(zhuǎn)換成UF6，采用氣體擴(kuò)散法或離心分離法濃縮。富集鈾再根據(jù)不同的用途進(jìn)行轉(zhuǎn)換。生產(chǎn)反應(yīng)堆燃料元件一般轉(zhuǎn)換成UO2，制造核彈頭一般用Ca等還原成金屬。同位素分離的尾料可以還原成金屬，制造貧鈾裝甲彈、貧鈾穿甲彈。燃料元件的制造

燃料元件一般由燃料芯塊、燃料包殼及其結(jié)構(gòu)件組成。熱通過(guò)燃料元件導(dǎo)出，并傳給載熱介質(zhì)。核裂變產(chǎn)生的放射性裂變產(chǎn)物阻留在元件內(nèi)。燃料元件反應(yīng)堆中的產(chǎn)物

核燃料在反應(yīng)堆中經(jīng)過(guò)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)后形成一個(gè)很復(fù)雜的體系，包括很多的產(chǎn)物：未用完的235U、238U、新生成的239Pu、以及裂變碎片和活化產(chǎn)物（近40種元素、上百種初級(jí)裂變產(chǎn)物，放射性核素達(dá)300余種），238U連續(xù)俘獲中子生成的次要錒系元素。燃料后處理

從乏燃料中回收有用的可裂變物質(zhì)，主要是鈾和钚。還可以同時(shí)獲得镅等次要錒系元素、其它有用的放射性同位素加以利用。鈾、钚的回收率大于99%，裂變產(chǎn)物的去污系數(shù)（處理前后鈾或钚中裂變產(chǎn)物的含量之比）達(dá)107～108。乏燃料運(yùn)輸容器放射性廢物的處理

對(duì)于短壽廢物采用地表處置，對(duì)于長(zhǎng)壽命廢液，經(jīng)減容后進(jìn)行水泥固化、玻璃固化（固體硅硼酸鹽玻璃塊），采用深地層埋藏處置。新技術(shù)：分離-嬗變法

先用化學(xué)方法，將廢液中具有放射性的镅、鋦等與其它裂變產(chǎn)物分離，將剩余部分經(jīng)減容后進(jìn)行玻璃固化，埋藏在深地層中。將镅、鋦通過(guò)中子嬗變變成短半衰期或穩(wěn)定的其他核素。核燃料循環(huán)叫做閉式(或閉合)燃料循環(huán)。大多數(shù)國(guó)家如：英、法、中國(guó)、聯(lián)邦德國(guó)、日本、意大利、俄羅斯、阿根廷和印度等皆采用核燃料循環(huán)的方針，對(duì)于壓水堆電站乏燃料進(jìn)行后處理，以大大減少需要最終處置的放射性核素，并把鈾和钚循環(huán)使用。美國(guó)、加拿大、瑞典等國(guó)家考慮對(duì)壓水堆電站乏燃料不進(jìn)行后處理，而直接包裝或經(jīng)切割后包裝，然后送到深地層的最終處置庫(kù)永久儲(chǔ)藏起來(lái)。這樣未經(jīng)后處理也就是沒(méi)有封閉的核燃料循環(huán)，稱做一次通過(guò)。加拿大核發(fā)電用的是重水堆,燃料用天然鈾，燒過(guò)后其中235U含量只有0.3％，所以對(duì)核燃料循環(huán)一直采取一次通過(guò)的方針。有些國(guó)家對(duì)于壓水堆電站的核燃料循環(huán)也考慮采取一次通過(guò)的方針，這是因?yàn)檫@些國(guó)家的后處理和高放廢液處理的費(fèi)用十分高。但是，一個(gè)1000兆瓦的壓水堆電站卸下燃料中所含錒系元素的放射性高達(dá)10萬(wàn)居里左右，把這樣大量的極長(zhǎng)半衰期的放射性核素長(zhǎng)期埋在地下能否保證安全尚未肯定，把大量可以利用的238U和239Pu埋在地下廢棄不用也是不合理的。鈾-钚循環(huán)：在快堆中將238U轉(zhuǎn)化為239Pu，并通過(guò)后處理把钚分離出來(lái),作為快堆的燃料循環(huán)使用。在發(fā)展初期，可用壓水堆后處理得到的钚作為裝料；發(fā)展到一定規(guī)模后，就可用快堆自己增殖的钚作為燃料。釷-鈾循環(huán)：在熱中子堆中把232Th轉(zhuǎn)化為另外一種核燃料233U，通過(guò)后處理把233U分離出來(lái)返回堆中循環(huán)使用。適于采用這種核燃料循環(huán)的堆型是高溫氣冷堆，其科研開發(fā)工作現(xiàn)已接近商業(yè)化階段。在重水堆甚至輕水堆中，也可采用這種燃料循環(huán)方式，科研工作尚處于開始階段。核不擴(kuò)散：嚴(yán)禁擴(kuò)散鈾同位素分離技術(shù)、核燃料后處理技術(shù)、氘的重水生產(chǎn)技術(shù)，勘探：對(duì)礦床全面工業(yè)評(píng)價(jià)，查資源，定儲(chǔ)量礦床指標(biāo)：礦石品位，礦床儲(chǔ)量勘探方法：放射性測(cè)量，如利用航空總計(jì)數(shù)測(cè)量、航空能譜測(cè)量及車載步行放射性測(cè)量，圈定放射性異常區(qū)。地球物理方法和遙感技術(shù)也受到重視。含鈾量礦石等級(jí)>0.3%富礦0.1~0.3%中礦0.05~0.1%貧礦7、鈾礦的勘探與開采鈾儲(chǔ)量礦床等級(jí)>5000t大型~1500t中型100~1000t小型鈾在大陸地殼中的相對(duì)豐度鈾礦鈾礦鈾礦鈾礦鈾礦BAR：可確保資源（可靠鈾資源）EAR：預(yù)計(jì)可回收資源（估算的附加鈾資源）世界鈾儲(chǔ)量：739萬(wàn)噸（BAR+EAR）海水：４０億噸。成本高，只日本進(jìn)行了試生產(chǎn)7.5kg。鈾資源分類（IAEA）對(duì)于離地面較深的脈型礦床采用地下坑道開采法，其工藝復(fù)雜，成本高。對(duì)于離地面較淺的沉積型大型礦床采用露天開采法，剝離表土和覆蓋巖石后，用大型機(jī)械開采，勞動(dòng)條件好，回采率高，成本低。化學(xué)開采法：包括地浸和堆浸，其優(yōu)點(diǎn)是不必進(jìn)行挖掘開采和礦石加工，節(jié)約生產(chǎn)費(fèi)用，可以開采不值得挖掘的低品位礦，只有很少的放射性被帶到地面，減少礦工在地下工作的風(fēng)險(xiǎn)，但這種方法對(duì)地質(zhì)條件要求嚴(yán)格，鈾的浸出率和回收率低，最多只能達(dá)到50％，并可能對(duì)地下水造成污染。目前大多數(shù)采用地下開采法，少數(shù)使用露天開采法。開采出的礦石一般先經(jīng)過(guò)物理選礦，篩選掉相當(dāng)一部分廢石，以提高待處理的礦石品位，減少鈾礦石加工和精制的工作量。目前采用的物理選礦方法有放射性選礦、選擇性磨礦選礦、浮游選礦、重力選礦和電磁選礦等。開采方法鈾礦石預(yù)處理8、鈾礦石的加工和精制破碎：初碎、中碎、細(xì)碎焙燒：提高有用成分的溶解度和降低雜質(zhì)的溶解度，以利于后續(xù)的浸出處理；改善礦石的物理性質(zhì)，以利于后續(xù)的磨礦處理和浸出后的液固分離。方法：氧化焙燒、加鹽焙燒和改善物理特性的焙燒。磨礦：研磨成一定粒度的原料。水冶：由于鈾礦石的加工過(guò)程多采用濕法化學(xué)處理，稱為鈾的水法冶金(又稱濕法冶金)。浸出（浸取，固—液萃?。菏且环N固—液接觸的操作過(guò)程，用固體中的一些成分易于溶解在一些液體中，而將其提取到液體中，進(jìn)行后續(xù)的加工。鈾礦石浸出的主要目的：是把鈾從礦石轉(zhuǎn)入溶液，浸出處理礦石的液體稱為浸出劑或浸取劑，完成浸出過(guò)程后的浸出劑叫做浸出液或浸取掖。浸出率：浸出后轉(zhuǎn)入浸出液中的鈾量與浸出前礦石中總鈾量的百分比。由于浸出劑有選擇性溶解作用，礦石中有的雜質(zhì)元素不被浸出或難被浸出，所以浸出過(guò)程也是鈾與雜質(zhì)元素的初步分離過(guò)程。鈾礦石的浸出是鈾水冶的第一步。鈾礦石的浸出主要采用酸法和堿法酸浸出劑：硫酸（硝酸、鹽酸成本高等，較少使用）步驟：需加入氧化劑，如氯酸鈉，每噸礦石用量為1.36kg，將礦石中的鈾氧化成6價(jià)。采用液固比(浸出液與礦石的質(zhì)量之比)為0.6—1.2。在40一80℃下浸出3—8h，鈾的浸出率為85％一97％。對(duì)含碳酸鹽較多的礦物，常用