第八章核燃料循环-PPT精选文档
核燃料循环
辐射及其应用从广义上讲“辐射”是指机械波（如声波）、电磁波（无线电波、可见光、X射线、γ射线）或大量微观粒子（如α粒子、β粒子）从它们的发射体出发，在空间或媒质中传播、移动的过程；也可以理解为波动的能量或大量微观粒子本身。
如声波是一种能听得到的，在空气中传播的较小能量的波运动；X射线、γ射线或α粒子、β粒子是具有大量能量的，它们作用于物质时，能够从物质的原子中把核外电子“弹飞”出去，引起电离。
能够引起物质电离的这类辐射，被称为电离辐射，通常电离辐射又称“放射”。
核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流，核辐射可以使物质引起电离或激发，所以它属于电离辐射的范畴，核辐射一般主要是α、β、γ三种射线。
核辐射的能量根源来自于强大的核力，原子核内的质子是相互排斥的，把它们聚集在一起的是中子，所以如果原子核没有足够的中子，原子就会分裂；但是，如果拥有太多的中子（或太少的质子），核内就会产生巨大的核强力，因此原子核仍然拥有太多的能量。
这些种类的原子不稳定，它会通过释放辐射消除多余的能量。
放射性物质只不过是不稳定的原子的集合体。
人类对辐射的科学认识和研究是从19世纪末开始的，1895年德国物理学家伦琴发现了X射线，1896年法国科学家贝克勒尔发现了天然放射性，1898年居里夫人从沥青中分离出天然放射性元素钋和镭，1898年卢瑟福发现放射性元素钍，1932年查德威克发现中子，从此人类社会进入了辉煌的原子时代。
辐射按作用方式可分为直接电离辐射（如α粒子、β粒子）和间接电离辐射（如X射线、γ射线和中子）；按能量形式可分为粒子型辐射（如α粒子、β粒子和中子）和电磁波型辐射（如X射线、γ射线）。
α射线是从一些放射性同位素物质的核中放射出来的带正电的α粒子流，实际上就是氦原子核，由两个质子和两个中子组成，带两个单位正电荷。
α射线的穿透能力很弱，射程很短，因而α射线对人体不存在外照射危害，但由于α射线的电离本领极强，这使得它对人体内照射危害较大，因此如果α辐射体集中蓄积于某一部位时，该部位有可能引起严重损伤，故应该特别注意防止α辐射物质进入人体。
核燃料循环系统
第20卷 第3期核科学与工程Vo1.20 No.3 2000年 9月Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering Sep. 2000核燃料循环系统3刘远松(中国核工业集团公司核燃料部)1 前 言在“核燃料立足于国内”的方针指引下,“九五”计划期间我国核燃料工业与我国核电同步建设、配套发展,“十五”计划期间核燃料系统也必将与我国核电配套发展。
在“十五”计划期间的配套建设中,我们将继续走引进与国产化相结合的道路,积极采用先进技术和先进工艺,追求规模效益,把我国核燃料系统建成具有国际竞争能力的行业。
然而要实现这一目标,在铀转化、铀浓缩、元件制造、后处理、放射性废物处理和核设施退役这些领域中还有许多重大技术问题有待于解决,还有待于我国核工业的科技人员的相互合作和共同努力。
2 中国核工业集团公司核燃料部所属民用领域简介氟化转化铀浓缩元件制造 后处理退役、三废处置3 各领域简介311 氟化转化(1)原理氟化转化是将氧化铀经过氢氟化反应生成四氟化铀,然后经氟化反应转变为六氟化铀的过程。
(2)六氟化铀的用处1909年德国化学家发现了六氟化铀。
由于六氟化铀易于升华以及天然氟只有19F的单一同位素,这使六氟化铀成为同位素分离工厂惟一的工作介质。
312 铀浓缩提高铀同位素混合物中235U的丰度的过程称为铀浓缩。
主要工业铀浓缩方法为扩散法收稿日期:199928220作者简介:刘远松,1982年毕业于山东化工学院化工机械专业,1989年获铀同位素专业硕士学位,现任中国核工业集团公司核燃料部副总工程师。
3本文对原报告做了删节。
252和离心法,目前世界上正在探索激光法。
(1)扩散法根据六氟化铀2235和六氟化铀2238气体分子通过微孔扩散速度不同来分离铀同位素。
基本分离元件是带有大量微孔的分离膜。
(2)离心法根据质量不同的六氟化铀2235和六氟化铀2238气体分子在离心机离心力场中的平衡分布不同来分离铀同位素。
核燃料循环
铀同位素分离扩散机群
铀同位素离心机联
铀的浓缩
--因为同位素有几乎相同的化学特性，不易用化 学分离因此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 --浓缩厂的最终产品为UF6
铀浓缩厂
铀的浓缩
1.气体扩散法 最成功、最经典的方法、商业开发的第一个浓缩方法，利用不同质量 的铀同位素在转化为气态时运动速率的差异。 轻同位素气态时移动较快，更快通过多孔分离膜抽取，通过的气体被 送到下一级 ，达到反应堆,需要1000级以上 美国、法国等使用 2.气体离心法 通过重力和离心场分离，重的在外，近轴处的气体被导出送入下一台 离心机，单位分离功耗电只是气体扩散法的5%，成本下降了75% 日本、欧洲等使用 美国当年在日本广岛投放的原子弹就是通过这种技术制成的。 3.气体喷嘴法 高速吹向凹型壁，惯性和离心力使重物近壁 面 喷嘴法的单级分离系数介于气体扩散法和离 心法之间，比能耗和比投资与气体扩散法相当 或略大。由于气体动力学法的比能耗和比投资 都很高，已经成功应用扩散法的国家一般都不 再研制气体动力学方法。
铀矿冶是指从铀矿石中提出、 浓缩和纯化精制天然铀产品的过程。 铀矿冶是核工业的基础。
目的是将具有工业品味的矿石， 加工成有一定质量要求的固态铀化 学浓缩物， 以作为铀化工转换的原 料。
在铀矿冶中，由于铀含量低、 杂质含量高、腐蚀性强，又具有放 射性， 铀的冶炼工艺比较复杂，需 经多次改变形态，不断进行铀化合 物的浓缩与纯化。
图1-3 轻水堆电站、铀-钚燃料循环示意图
黄 华
前言
核燃料循环，为核动力反应堆供应燃料和其后的所有 核燃料循环 处理和处置过程的各个阶段。它包括铀的 采矿，加工提纯，化学转化，同位素浓缩，燃料元件 制造，元件在反应堆中使用，核燃料后处理，废物处 理和处置等。
核燃料循环各个阶段
核燃料循环各个阶段核燃料循环是指核能产业链中，从天然铀矿石开采、转化到最终核燃料制造的一个完整过程。
在这个过程中，核燃料循环可以分为几个阶段。
下面我们来了解一下这些阶段。
一、铀矿石开采与加工铀矿石是自然界中存在的一种矿物质，它含有很高的铀含量。
铀矿石的采集需要采用各种不同的技术。
一般来说，铀矿石的采集主要依赖于一些专业机械，例如塔式开采机、钻井机等。
这些机械可以进入地下，将铀矿石从地下采掘出来。
铀矿石在采集完毕后，需要进行破碎、磨粉等处理。
在这个过程中，需要使用一系列的磨矿设备，将铀矿石破碎成更小的颗粒。
同时，还需要对破碎后的矿石进行磨矿，使其达到一定的粉末度，以便于下一步的处理。
二、铀的转化铀矿石经过破碎、磨粉等处理后，需要进行铀的转化。
这个过程包括了一系列的化学反应，主要目的是将铀从铀矿石中提取出来，制成更易于制造燃料棒的形式。
铀的转化主要采用两种不同的方法，分别是化学法和物理法。
化学法：这种方法主要是通过一系列的化学反应来实现的，主要原料是氢氧化钠和氧化钠。
这种方法的优势在于，操作简单，可以回收利用，同时可以将铀从铀矿石中分离出来。
物理法：这种方法主要是通过高温和高压下的作用，将铀从铀矿石中分离出来。
这种方法的优势在于，可以实现较高的铀回收率，但操作复杂，成本较高。
三、核燃料的制造核燃料的制造主要分为两个步骤，一是核燃料的制备，二是核燃料的元件制作。
核燃料的制备：核燃料的制备需要将铀从铀矿石中提取出来，制成更易于制造燃料棒的形式。
在这个过程中，需要使用一系列的化学药剂，对铀进行处理，使其成为燃料棒的原材料。
核燃料元件制作：核燃料元件制作主要采用两种方法，一种是将铀直接制成燃料棒，另一种是将铀制成棒材，再进行加工制成燃料棒。
这种方法可以实现较高的铀回收率，但操作复杂，成本较高。
四、核燃料的运输与贮存核燃料在制备完成之后，需要进行运输和贮存。
运输过程中需要采取一系列的安全措施，以确保核燃料的安全。
核燃料循环后端 PPT
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
乏燃料：大部分238U(95%)， 235U（小于0.83%）, 一定数量Pu（1％），裂变产物(约3%)
后处理的目的：提高资源利用——回收乏燃料中 的铀、钚进行再循环(MOX) 改进废物管理——减少废物体积， 实施先进燃料循环(P/T)
乏燃料经过冷却之后仍有很强的放射性，并有 很高的衰变热 核燃料循环中的非常重要的活动
—— 受国家和国际法规（IAEA）的限制 —— 受社会的高度关注
IAEA：国际原子能机构
可采用公路、铁路和 海上运输的方式 核运输是非常安全和成熟的商业活动
法国每年运输大约1,500万件危险品，其中: 30万件为放射性物品，15,000件与核燃料循环有 关 ，750件为燃料、乏燃料、HLW（高放废物）
机械设备实验大厅
中国第一座动力堆乏燃料元件后处理中间试验厂 （中试工程），兰州404厂
设计能力为日处理100公斤乏燃料
我国404厂的核燃料处理能力
日本的燃料再处理厂
青森県上北郡六ヶ所村大字尾駮字野附
乏燃料运输 一座1000MWe的PWR每年卸出乏燃料大约30吨，
经过一段时间的冷却之后要运离反应堆（离堆贮 存）
铀矿开采
新元件
反应堆
乏燃料
燃料获取
元件制造
中间储存
图1-1. 开式或一次通过式燃料循环示意图
切割、包装 最终处置库
铀矿开采
新元件
反应堆
乏燃料
燃料获取
元件制造
钚产品
中间储存
堆后铀、钚
后处理
乏燃料
废物处理处置 图1-2. 闭式核燃料循环示意图
• 我国核燃料循环相关企业情况
核燃料循环
核燃料循环核燃料以反应堆为中心循环使用。
（一）铀的开采、冶炼、精制及转化：铀是比较分散的元素。
世界上重要的产铀国家有：加拿大、美国、独联体、澳大利亚、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。
但是可提供一定铀产量的铀矿石的含铀量的品位较低（10-4～10-2），掘出的含铀矿石必须经过复杂的化学富集，才能得到可作粗加工的原料。
过去开采铀矿石都采用传统的掘进方式（耗能大、成本高、生产周期长，还有运输、尾矿等问题）。
近来根据铀矿石性质的多样性，又开发了地表堆浸、井下堆浸以及原地浸取等方式。
我国的铀矿石属低品位等级，一般在千分之一含量就要开采，成本较高。
为了降低成本，充分利用低品位矿石，80年代以来就积极开发堆浸、地浸技术，现已投产。
例如地表堆浸，处理品位为8×10-4的沙岩矿，成本降低 40％。
原地浸取工程也已经开工。
原地浸取采矿的优点是：成本低（投资只有掘进的1／2）、工艺简单、节约能源（省去了磨碎、运输等工序，可节约能源 60％）、节约劳动力、减轻劳动强度（节约劳动力数十倍，工人进行流体物操作，劳动条件大为改善）、矿山建设周期短、可以充分利用低品位铀资源。
因此受到重视而被称为铀矿冶技术上的一场革命。
浸取液经过离子交换、萃取以富集铀，再经过酸性条件下沉淀（与硷金属及碱土金属分离）和碱性条件下溶解（与过渡元素分离）以进一步净化铀，最后得到铀的精炼物。
将此精炼物进一步纯化，并将铀转化成低沸点的UF6（升华温度：1大气压下56℃；0.13大气压下25℃），即可用作浓缩235U同位素的原料。
（二）235U同位素的浓缩：235U是唯一天然存在的易裂变核素。
不同设计的反应堆需要不同浓缩度的铀（如：压水堆——当前核电站应用最多的堆型——需要2～3％；游泳池堆需要10%；快堆需要25％；高通量材料试验堆需要90%）。
而核弹则需要更高的浓缩度。
因此生产浓缩铀是核工业中十分重要的环节。
同一元素的同位素化学性质相同，只在质量上有所差别。
核燃料循环
同位素分离
高富集铀
核材料 核武器 核反 应堆 铀钚
核化学化工 钚 核燃料 后处理 核废物 处理处置 永久贮存
铀同位 低富 燃料元 素富集 集铀 件制造
天然铀 铀矿冶炼
军民两用的敏感技术，有关我国核大国地位及综合国力的高科技
二、开 矿
开矿实际上由开采、磨 粉、提取、净化等环节 构成
铀 德国化学家Martin Klaproth 在 1789 在沥青铀矿中发 现铀。其实铀广泛存在 于土壤及海水中，就象 锡(tin-Sn)、钨(tungstenW)、钼(molybdenum-Mo) 那样普遍，只是含量太 低(百万分之几2~3 p.p.m.)，目前没有开采 价值。
二、开矿-铀矿
100多种矿物中铀占重要部分，但开采的铀矿的主要形式 有12种： 1 沥青铀矿 pitchblende(U3O8)或uraninite(UO2) 2 水硅铀矿 coffinite(USiO4)1x(OH)x 3 钛酸铀矿 brannerite (U,Y,Ca,Fe,Th)3Ti5O16 4 钛酸铌酸铀矿 betafite (U,Ca)(Nb,Ta,Ti)3O9.nH2O 5 铀钛磁铁矿, 铈铀钛铁矿 davidite (Fe,Ce,U)(Ti,Fe)3(O,OH)7 6 铀钍矿 uranothorite (Th,U)SiO4 7 铀方钍矿，方铀钍石 uranothorianite (Th,U)O2 8 钒钾铀矿 carnotite K2(UO2)2(VO4)2.nH2O 9 钙钒铀矿 tyuyamunite Ca(UO2)2(VO4)2.9H2O 10 铜铀云母 torbernite Cu(UO2)2(PO4)2.12H2O 11 硅钙铀矿 uranophane Ca(UO2)2Si2O7.6H2O 12 钙, 铀云母 autunite Ca(UO2)2(PO4)2.12H2O 含铀数公斤/吨。
精选第八章核燃料循环资料
按燃料布置型式分类的反应堆 从核燃料后处理的角度看，按堆芯燃料布置型式，把反应堆划分为均匀
和非均匀两大类更有实际意义。对此两种类型反应堆的辐照材料有完全 不同的后处理方式。对均匀堆而言，多为流体性燃料，一般可采用连续 后处理方式，进而大大简化了处理流程。而对非均匀堆，燃料通常以固 体燃料元件方式装卸，只能是分批进行后处理。由于多方面的原因，目 前广泛使用和建造的反应堆多数仍属非均匀堆，均匀堆还只是处于试验 阶段。
第五章 核素图和同位素手册
3. 核燃料循环
核燃料进入反应堆前的制备和在反应堆中燃烧及以后的处理的整 个过程称为核燃料循环。这个过程包括：铀（钍）资源开发、矿 石加工冶炼、铀同位素分离和燃料加工制造，燃料在反应堆中使 用，乏燃料后处理和核废物处理、处置等三大部分。也有一些国 家考虑对乏燃料不进行后处理，或暂不考虑后处理。因此，前者 为闭式核燃料循环（图1-1），后者为开式核燃料循环或一次通过 式核燃料循环（图1-2）。
陆上固定式 上可移动式或可拆装式 海上浮动式 海底或空间
从应用的角度看，可把反应堆按用途分为动力堆、生产堆、研究试验堆和特 殊用途堆等四大类。动力堆主要用于核能发电、供热和作为推进动力。目前 世界各国正在大力建造的各种类型的动力反应堆。生产堆主要用于生产易裂 变材料239Pu和/或产氚3H。在上世纪50-60年代，美、苏等国为生产军用钚， 曾大批建造这种类型的反应堆，但到了70年代末期，军用钚的储量已达到相 当规模，因此这些国家也不再发展这类反应堆了。研究试验堆主要用作强中 子源和从事物理、材料及生物等方面的试验研究工作；也可为反应堆工程设 计提供数据或兼用于生产放射性核素。
第八章 核燃料循环
杨金玲
第八章 核燃料循环
1. 核燃料 2. 反应堆类型 3. 燃料循环 4. 核燃料后处理