核燃料循环

提取铀
黄饼
铀的加工冶炼
铀的精制： 1.目的 精制盐过程，生成核纯度的铀 将铀化学浓缩物(重铀酸钠、重铀酸氨) 转化成 易于氢氟化的铀氧化物 2.精制方式 （1）离子交换法 （2）溶液萃取法 （3）分布结晶法 3.产品 铀氧化物(U3O8、UO2等)、四氟化铀（UF4）等 4.煅烧 制取U3O8或UO2陶瓷
4.激光分离法
铀的浓缩
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
5.电磁分离法
利用带电原子在磁场作圆周运动时其质量不同的离子由于旋转半径不同而被 分离的方法。轻同位素由于其圆周运动的半径与重同位素不同而被分离出来。这 是在20世纪40年代初期使用的一项老技术。正如伊拉克在20世纪80年代曾尝试的 那样，该技术与当代电子学结合能够用于生产武器级材料。
燃料元件的制备
1.燃料元件的种类 陶瓷型 UO2，轻水堆动力反应堆 UO2-PuO2,混合燃料（MOX燃料），
液态金属冷却快中子反应堆
铀金属（生产裂变Pu-239的堆） 弥散型 2.几何形状：棒状、板状、球状、 柱状 3.制造工艺 (1)化工过程：将UF6转化为UO2，有干法、湿法，为主要经济过 程之一 (2)压制过程：将UO2制成粉末、压制并烧结成芯块，研磨、成品 检查 (3)总装：将芯块组合成套，组装成燃料元件
、 砂岩型19.5%和碳硅泥岩型16%四大类型的铀矿床
铀矿开采是生产铀的第一步。它的任务是把工业 品位的铀矿厂从地下矿床中开采出来，或将铀经 化学溶浸，生产出液体铀化合物。铀矿的开采与 其它金属矿的开采基本相同，但是由于铀矿有放 射性，能放出放射性气体（氡气），品位较低， 矿体分散（单个矿体的体积小）和形态复杂，所 以铀矿开采又有一些特殊的地方。铀矿床开采方 法可归纳如下几种：
核燃料的制造
六氟化铀 加工
转化
矿石
黄饼
浓 缩 烧结
组装
燃料 组件
芯快
我国的铀资源
1.中国是铀矿资源不甚丰富 2.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 3.矿床规模以中小为主 4.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 5.我国逐步发现了花岗岩型38%、火山岩型22% 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
铀矿的开采
采矿
露天开采 地下开采 原地浸出采铀
常规采铀 采铀 溶浸采铀
堆浸采铀
原地爆破浸出采铀
露天开采
露天开采是按一定程序先剥离表土和覆盖岩石，使 矿石出露，然后进行采矿，这种方法一般用于埋藏 较浅的矿体。
阿尔利特的露天铀矿开采场
地下开采
地下开采是通过掘进联系地 表与矿体的一系列井巷，从矿体 中采出矿石，地下开采的工艺过 程比较复杂。一般在矿床离地表 较深的条件下采用这种方法。
原地爆破浸出采铀
原地爆破浸出是通过爆破手段，将天然埋藏下的铀矿 体原地破碎到一定块度，形成矿堆，再用化学试剂与 矿堆接触并发生化学反应，有选择地浸出铀至溶液中， 最终将含铀溶液收集并输送至水冶厂处理，得到铀产 品的一种采矿方法。这种方法大大减少了矿石运输量 和尾矿库的容积，有利于环境保护。
铀的加工冶炼
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。
主要内容
核燃料循环前段 • 铀矿的开采 • 铀矿的加工冶炼 • 铀的转化 • 铀的浓缩 • 燃料元件的制备
堆浸采铀
堆浸采铀方法又分为地表堆浸采铀和地下堆浸采铀两 种。地表堆浸采铀是通过常规的井下或露天方法将采 出的矿石破碎至一定粒度，在地表筑起一定高度的梯 形矿堆，通过布置在堆顶面的布液系统将化学试剂均 匀地喷洒，化学试剂在渗滤过程中与铀矿物反应，形 成的含铀溶液经底部集液系统收集，送水冶厂处理， 得到最终产品。 地下堆浸与 地表堆浸不同之处是将矿堆 建在井下。与常规采矿方法 相比，堆浸采铀省去了磨矿 工艺。主要以北方可地浸砂 岩型矿床为主（新疆、东北、 内，蒙古地区） 堆浸提铀
铀的加工冶炼
常规的铀提取工艺一段包括，铀矿石的破碎和磨细、 铀矿石的浸取、矿浆的固液分离、离子交换和溶剂萃取法 提取铀浓缩物、溶剂萃取法纯化铀浓缩物。 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 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）
核燃料循环
前 段 ≈3% 铀元件 元件制造 后 反应堆 乏燃料 中间储存 乏燃料
钚产品
段 暂时储存 放 射 性 废 物
≈0.72% 235U 天然铀
铀矿开采
处理处置
UO2 前处理
化工转化 UF6 铀的转化
≈
后处理
长期储存库
堆后铀
铀的浓缩 UF6 ~0.85% 铀的转化 最终处置库
0.72% 235U UF6
铀的转化
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
六氟化铀
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
铀转化工厂
铀的转化
U3O8 硝酸铀酰
硝酸 溶解 氟化 工艺 重铀酸 工艺 氢氟化 工艺
UO3
还原 工艺
UF6
源自文库
UF4
UO2
得到的UF6经过冷凝与不凝性气体分开， 再经过液化释压得到UF6原料
铀的浓缩
铀浓缩
自然界中的铀：--234U（0.0057%） -235U（0.7115 % ） - 238U（99.28%）
235U
--同位素分离 -- 235U丰度
天然铀（0.7%U235）
低浓缩铀 （3~5%U235）
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。
郴州铀矿
根据我国铀矿床的特点，地 下采矿使用最多的为充填采矿法。 郴州，仁化和抚州铀矿就是使用 的充填采矿法。
原地浸出采铀
原地浸出采铀简称地浸采铀，是在矿床天然产状条件下， 通过从地表钻进至矿层的注液钻孔将配制好的化学试剂 注入矿层，与矿物发生化学反应，溶解矿石中的铀，随 后将含铀的溶液抽至地表，送进回收车间进行离子交换、 淋洗、沉淀、压滤，干燥，最终得到合格产品。这种铀 矿开采方法不移动矿石和 围岩，将矿石的开采、选 矿、水冶集于一体。这种 采铀方法与常规采矿相比， 生产成本低，劳动强度小， 但其应用有一定的局限性， 只适用于具有一定地质、 水文地质条件的矿床。 地浸采铀
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铀的加工冶炼
矿石开采后运至处理厂磨矿 后采用堆浸浸出。 堆浸是堆置浸出法的 简称，是通过将稀的化学 溶剂喷洒到预先堆置好的 矿石堆上，选择性地溶解 （浸出）矿石中的目标成分，形 成离子或络合离子并使之转入溶 液，以便进行进一步的提取或回 收的浸出方法；堆浸的矿石仅需 粗碎即可，溶液在矿堆中处于非 饱和流状态。
燃料元件的制备
化工过程(将UF6转化为UO2)压制过程(陶瓷)元件 总装组件组装
燃料芯块
压水堆燃料组件 重水堆燃料组件
燃料元件的制备
核燃料特性: 1.高热导率 2.抗辐照能力 避免肿胀、开裂、蠕变引起的变形 3.化学稳定性 防止与冷却剂的化学反应 4.高的熔点 5.易加工的物理、力学性能 6.低膨胀系数 7.含较高浓度易裂变物资 8.不含中子吸收截面大的其它物质
磨矿
浸出的矿浆 经固液分离得到含铀的清液或稀矿浆
矿石浸出形成矿浆
铀的加工冶炼
铀的提取和沉淀产出； 1.目的 将浸出液中的铀与杂质分离使 铀得到部分浓缩 2.提取和沉淀方式 （1）离子交换法 （2）溶液萃取法 （3）加入沉淀剂使铀化学浓缩 物沉淀 （4）将沉淀物洗涤、压滤、干 燥 3.产品 铀化学浓缩物(黄饼) （1）重铀酸钠 （1）重铀酸氨 含铀量40%-70%仍含大量杂质
以同位素分离为目的，提高铀-235浓 度的处理即为浓缩。
铀的浓缩
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）
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。 军事和核工业用的浓缩铀 在90%以上
6.等离子体法
在该法中，利用离子回旋共振原理有选择性地激发235U和238U离子中等离子体 235U同位素的能量。当等离子体通过一个由密式分隔的平行板组成的收集器时， 具有大轨道的235U离子会更多地沉积在平行板上，而其余的235U等离子体贫化离子 则积聚在收集器的端板上。已知拥有实际的等离子体实验计划的国家只有美国和 法国。
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。