核燃料循环
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1 psia ≈ 6900 pa 1 atm ≈ 101.3 kpa
lb/in2
atm
10
三相图
1
0.1
0
50
100
(oC) 0.01
5 C ° = ( F ° 32) 9
三、转化-UF6
不与干燥空气、氧气、氮气、二氧化碳等反应。然 而，如与水接触，哪怕是一点点水，马上水解生成 氟化铀酰(uranyl fluoride - UO2F2)和强腐蚀性毒气氟 化氢(HF)。 UF6 + 2 H2O UO2F2 + 4 HF 因此，除非绝对没有水，否则腐蚀玻璃。UF6还与许 多元素反应(如第 I 和第 II 族金属： B, Al, Ga, In, C, Si-Pb 等等) 形成相应的氟化物。它能与大多数含氢 化合物形成 HF，所以碳氢化合物(包括arenes)形成 碳氟化物的混合物，含碳物质及 HF，但如Teflon之 类的碳氟化物除外。它与很多金属反应，但镍(Ni， 由于形成了氟化的表面层) 和铝(Al，存在表面氧化 层)除外。
铀矿资源分布 已知可开采铀资源 U3O8 （吨） 863,000 472,000 437,000 298,000 235,000 197,000 131,000 104,000 103,000 3,107,000 份额 28% 15% 14% 10% 8% 6% 4% 3% 3% 91%
二、开矿-铀矿
探矿
1946年以来，用Geiger-Müller计数器或闪烁计数器 (scintillation counter)，飞机或机动车或者探矿者步行 携带。60年后，基本上用Geiger-Müller计数器。80 年代，用gamma谱仪(gamma spectrometer)，许多带 有谱纹功能，以便在空中和地表估计铀、钍、钾含 量。路网发达地方和用车载探矿，步行探矿现在不 太普遍，gamma谱仪太沉，多用闪烁计数器 氡测量。用222Rn探测地下矿体1950年就有，现在使 用相当普遍
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。
世界铀矿 开采量
加拿大占32% 澳大利亚占19%
国家 Canada Australia Niger Russia (est) Kazakhstan Namibia Uzbekistan USA South Africa Ukraine (est) China (est) Czech Republic India (est) Brazil Romania Spain France others Total world
问题：
防止浸滤液渗漏到别的地方和进入地下水 二、开矿-开采
提取
把铀从矿石中提取出来。
二、开矿-提取
堆浸
堆浸现场
二、开矿-提取
例：澳大利亚的提取工艺
矿石 破碎和磨粉 氧化剂 尾料 浸出 硫酸H2SO4 浸出液 酸返回 SX 过滤 酸及胺返回 硫酸铵 SX 剥离 剥离液 铵diun？ 干燥和烘烤 U3O8 尾气 沉淀和过滤 硫酸盐返回 NH3 装载溶剂 把矿石碎并磨粉来筛选矿物颗粒，然后用硫 酸浸出 UO3 + 2H+ ====> UO22+ + H2O UO22+ + 3SO42 ====> UO2(SO4)34 UO2 被氧化成 UO3 碳酸盐浸出来形成可溶铀酰三碳酸离子 (uranyl tricarbonate ion: UO2(CO3)34)。 然后 用碱沉淀。目前在澳大利亚不使用碱浸出 使用两种方法来浓缩和纯化铀：离子交换法 和溶剂萃取法（后者用得更广泛） 溶剂萃取法中, 在煤油稀释过程中用三胺 (tertiary amines)，各相逆流运动： 2R3N + H2SO4 ====> (R3NH)2SO4 2 (R3NH)2SO4 + UO2(SO4)34 ====> (R3NH)4UO2(SO4)3 + 2SO42 R为含一价共价键的烷基 (hydrocarbon)
ThC2+UC2 UO2 93% 235U 石墨 石墨 He B4C 天然U 天然U 锆 D2O D2O B4C
控制材料 B Control Material
一、引言-反应堆及其燃料 压水 燃料类型 UO2 沸水 UO2 液体金属 快增殖 PuO2+UO2 20%, 80% (238UO2) 不锈钢 无 Na B4C或 10 B4C 气冷快增 殖 PuO2+UO2 20%, 80% (238UO2) 不锈钢 无 He B4C 或 10 B4C 熔盐增殖 LiF+BeF2+ ThF4+UF4 71.7%, 16%, 12%, 0.3% (233UF4)m/o 无 石墨 燃料 B4C
二、开矿-铀矿
关于铀矿外观及识别
矿物类 化学式 晶 系 常 规 解 理 硬 度 密 度 颜 色 条 纹 光 泽 生 成 共 生 注： 氧化物： uraninite – ianthinite (沥青铀矿– 水铀矿) 组 UO2, U3O8 立方 不同变形的立方结晶，如不规则颗粒或块状 从不清晰的破碎贝壳状至不均匀 5 -6 7.5-9.7 黑 黑到褐状黑色 Submetallic 在结晶花岗岩和热水矿脉中，也存于沉积岩中 Gummite (脂铅铀矿), uranophane (硅钙铀矿) 强放射性。不溶于hydrochloric酸(盐酸)，但慢溶于硝 酸。在铀矿上滴以滴硝酸，生成物具强荧光性。
浓缩
3.3% 235U
2.6% 235U
包覆 慢化剂 冷却剂 控制材料
锆 H2O H2O Hf 或 Ag-In-Cd
锆 H2O H2O B4C
一、引言-反应堆及其燃料
什么是核燃料循环
核燃料循环(Nuclear Fuel Cycle)
从燃料开矿到使用后进行处理的全部过程 不同的核反应堆在核燃料循环上可能有不同，但铀 占最为主要的地位 压水堆为最主要堆型：燃料UO2（U中235U丰度为 ~3.0% ，比天然铀中235U的含量高：~0.711%）
核燃料循环
曾实 工程物理系技术物理研究所
一、引 言
反应堆及其燃料
气冷 燃料类型 Fuel Form 浓缩 Enrichment 包覆 Cladding 慢化剂 Moderator 冷却剂 Coolant U合金 天然U 天然U Mg 合金 石墨 CO2 先进气冷 UO2 2% 235U 不锈钢 石墨 CO2 B 高温气冷 重水 重水有机冷却 UO2 0.7-2% 235U 锆 D2O Terphenyl B4C
二、开矿-铀矿
地质化学法。 本来应该用得更普遍，但引入具有足够敏感性 和精度的技术缓慢。情况逐渐改观，用延后中子法 (delayed neutron method)，敏感性可达0.03 μgU且精 度高，水、汽沉积、土壤、岩石等样本都可测 激光荧光法具有相类似的敏感性和精度，测出 了空中探矿未探出的矿 多元素分析方法(multi-element analytical method, 如等离子源谱仪plasma-source spectrometer)，利用铀 常常有钒(vanadium)、硒(selenium)、钼 (molybdenum)、氟(fluorine)、钛(titanium)、铁(iron) 伴随的情况 新方法 放射性产物206Pb和207Pb异常；4He测量；放射性热源 测量：地面热影像(飞机或卫星)
循环过程
一、引言-反应堆及其燃料
32t enriched UF6
220t depleted UF6
250t natural UF6 45-50,000t ore
Pu
25t ULeabharlann Baidu2 fuel
0k g
1000MW electricity for a year (7 billion kWh) 25t spent fuel
二、开矿-开采量
2001 12520 7756 2920 2500 2050 2239 1962 1011 873 750 655 456 230 58 85 30 195 76 36 366 (42 886 t U3O8)
2002 11604 6888 3075 2900 2800 2333 1860 919 824 800 730 465 230 270 90 37 20 252 36 097 (40 569 t U3O8)
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。
Australia Kazakhstan Canada South Africa Namibia Brazil Russian Fed. USA Uzbekistan Total World total
二、开矿-铀矿
铀 矿 资 源 分 布 图
二、开矿-铀矿
铀矿铀含量： 澳大利亚矿：< O.5% U3O8 加拿大矿： < 20% U3O8
三、转化
转化：U3O8 → UF6
U3O8，因为其色为 黄色，故也俗称黄 饼（yellow cake）
三、转化
UF6 室温下为白色固体结晶(一大气压力下，三相点温度 64°C，在56.5°C升华，饱和蒸汽压120 mmHg)。液 相仅在压强大于1.5个大气压温度大于64°C时存在。
三、转化-UF6
与其它采矿比较，主要 危险：氡气的衰变物 如钋(polonium，α衰 变) 214Po、210Po 安装强力通风系统 必要时使用呼吸器 限制地下作业时间
二、开矿-开采
地下开采-溶液(solution mining)
ISL：in situ leaching (浸滤). 优点：
没有地沉陷； 废弃采矿区前冲刷浸滤过的矿石，危害比采矿开始前还小
二、开矿-开采
开采
露天开采(Open-cast)
澳大利亚的 Ranger 矿
通常深度不超过200300m，适用于接近地 表的平坦的矿床，否 则需要用地下开采法
二、开矿-开采
加拿大的Northern Saskatchewan矿
二、开矿-开采
适合于矿床深度在3003000m深的矿，熟知的采 矿法都可用：如stopping (回采), room-and-pillar(房 柱), longwall retreat(长壁), panel mining(盘区)
二、开矿-铀矿
在自然界 中铀存在 2种同位 素：238U 和235U， 丰度分别 约为 99.3%和 0.7%。矿 中还伴随 着它们的 衰变物， 例如： 238U的衰 变物
Protactinium镤 Thorium钍 Radium镭 Radon氡 Astatine砹
Polonium钋 Thallium铊 Lead铅 Bismuth铋
750kg high level waste
750kg high level waste in 5 tonnes of Pyrex glass contained in stainless steel canisters
23
Final disposal of high level waste
一、引言-反应堆及其燃料
lb/in2
atm
10
三相图
1
0.1
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50
100
(oC) 0.01
5 C ° = ( F ° 32) 9
三、转化-UF6
不与干燥空气、氧气、氮气、二氧化碳等反应。然 而，如与水接触，哪怕是一点点水，马上水解生成 氟化铀酰(uranyl fluoride - UO2F2)和强腐蚀性毒气氟 化氢(HF)。 UF6 + 2 H2O UO2F2 + 4 HF 因此，除非绝对没有水，否则腐蚀玻璃。UF6还与许 多元素反应(如第 I 和第 II 族金属： B, Al, Ga, In, C, Si-Pb 等等) 形成相应的氟化物。它能与大多数含氢 化合物形成 HF，所以碳氢化合物(包括arenes)形成 碳氟化物的混合物，含碳物质及 HF，但如Teflon之 类的碳氟化物除外。它与很多金属反应，但镍(Ni， 由于形成了氟化的表面层) 和铝(Al，存在表面氧化 层)除外。
铀矿资源分布 已知可开采铀资源 U3O8 （吨） 863,000 472,000 437,000 298,000 235,000 197,000 131,000 104,000 103,000 3,107,000 份额 28% 15% 14% 10% 8% 6% 4% 3% 3% 91%
二、开矿-铀矿
探矿
1946年以来，用Geiger-Müller计数器或闪烁计数器 (scintillation counter)，飞机或机动车或者探矿者步行 携带。60年后，基本上用Geiger-Müller计数器。80 年代，用gamma谱仪(gamma spectrometer)，许多带 有谱纹功能，以便在空中和地表估计铀、钍、钾含 量。路网发达地方和用车载探矿，步行探矿现在不 太普遍，gamma谱仪太沉，多用闪烁计数器 氡测量。用222Rn探测地下矿体1950年就有，现在使 用相当普遍
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。
世界铀矿 开采量
加拿大占32% 澳大利亚占19%
国家 Canada Australia Niger Russia (est) Kazakhstan Namibia Uzbekistan USA South Africa Ukraine (est) China (est) Czech Republic India (est) Brazil Romania Spain France others Total world
问题：
防止浸滤液渗漏到别的地方和进入地下水 二、开矿-开采
提取
把铀从矿石中提取出来。
二、开矿-提取
堆浸
堆浸现场
二、开矿-提取
例：澳大利亚的提取工艺
矿石 破碎和磨粉 氧化剂 尾料 浸出 硫酸H2SO4 浸出液 酸返回 SX 过滤 酸及胺返回 硫酸铵 SX 剥离 剥离液 铵diun？ 干燥和烘烤 U3O8 尾气 沉淀和过滤 硫酸盐返回 NH3 装载溶剂 把矿石碎并磨粉来筛选矿物颗粒，然后用硫 酸浸出 UO3 + 2H+ ====> UO22+ + H2O UO22+ + 3SO42 ====> UO2(SO4)34 UO2 被氧化成 UO3 碳酸盐浸出来形成可溶铀酰三碳酸离子 (uranyl tricarbonate ion: UO2(CO3)34)。 然后 用碱沉淀。目前在澳大利亚不使用碱浸出 使用两种方法来浓缩和纯化铀：离子交换法 和溶剂萃取法（后者用得更广泛） 溶剂萃取法中, 在煤油稀释过程中用三胺 (tertiary amines)，各相逆流运动： 2R3N + H2SO4 ====> (R3NH)2SO4 2 (R3NH)2SO4 + UO2(SO4)34 ====> (R3NH)4UO2(SO4)3 + 2SO42 R为含一价共价键的烷基 (hydrocarbon)
ThC2+UC2 UO2 93% 235U 石墨 石墨 He B4C 天然U 天然U 锆 D2O D2O B4C
控制材料 B Control Material
一、引言-反应堆及其燃料 压水 燃料类型 UO2 沸水 UO2 液体金属 快增殖 PuO2+UO2 20%, 80% (238UO2) 不锈钢 无 Na B4C或 10 B4C 气冷快增 殖 PuO2+UO2 20%, 80% (238UO2) 不锈钢 无 He B4C 或 10 B4C 熔盐增殖 LiF+BeF2+ ThF4+UF4 71.7%, 16%, 12%, 0.3% (233UF4)m/o 无 石墨 燃料 B4C
二、开矿-铀矿
关于铀矿外观及识别
矿物类 化学式 晶 系 常 规 解 理 硬 度 密 度 颜 色 条 纹 光 泽 生 成 共 生 注： 氧化物： uraninite – ianthinite (沥青铀矿– 水铀矿) 组 UO2, U3O8 立方 不同变形的立方结晶，如不规则颗粒或块状 从不清晰的破碎贝壳状至不均匀 5 -6 7.5-9.7 黑 黑到褐状黑色 Submetallic 在结晶花岗岩和热水矿脉中，也存于沉积岩中 Gummite (脂铅铀矿), uranophane (硅钙铀矿) 强放射性。不溶于hydrochloric酸(盐酸)，但慢溶于硝 酸。在铀矿上滴以滴硝酸，生成物具强荧光性。
浓缩
3.3% 235U
2.6% 235U
包覆 慢化剂 冷却剂 控制材料
锆 H2O H2O Hf 或 Ag-In-Cd
锆 H2O H2O B4C
一、引言-反应堆及其燃料
什么是核燃料循环
核燃料循环(Nuclear Fuel Cycle)
从燃料开矿到使用后进行处理的全部过程 不同的核反应堆在核燃料循环上可能有不同，但铀 占最为主要的地位 压水堆为最主要堆型：燃料UO2（U中235U丰度为 ~3.0% ，比天然铀中235U的含量高：~0.711%）
核燃料循环
曾实 工程物理系技术物理研究所
一、引 言
反应堆及其燃料
气冷 燃料类型 Fuel Form 浓缩 Enrichment 包覆 Cladding 慢化剂 Moderator 冷却剂 Coolant U合金 天然U 天然U Mg 合金 石墨 CO2 先进气冷 UO2 2% 235U 不锈钢 石墨 CO2 B 高温气冷 重水 重水有机冷却 UO2 0.7-2% 235U 锆 D2O Terphenyl B4C
二、开矿-铀矿
地质化学法。 本来应该用得更普遍，但引入具有足够敏感性 和精度的技术缓慢。情况逐渐改观，用延后中子法 (delayed neutron method)，敏感性可达0.03 μgU且精 度高，水、汽沉积、土壤、岩石等样本都可测 激光荧光法具有相类似的敏感性和精度，测出 了空中探矿未探出的矿 多元素分析方法(multi-element analytical method, 如等离子源谱仪plasma-source spectrometer)，利用铀 常常有钒(vanadium)、硒(selenium)、钼 (molybdenum)、氟(fluorine)、钛(titanium)、铁(iron) 伴随的情况 新方法 放射性产物206Pb和207Pb异常；4He测量；放射性热源 测量：地面热影像(飞机或卫星)
循环过程
一、引言-反应堆及其燃料
32t enriched UF6
220t depleted UF6
250t natural UF6 45-50,000t ore
Pu
25t ULeabharlann Baidu2 fuel
0k g
1000MW electricity for a year (7 billion kWh) 25t spent fuel
二、开矿-开采量
2001 12520 7756 2920 2500 2050 2239 1962 1011 873 750 655 456 230 58 85 30 195 76 36 366 (42 886 t U3O8)
2002 11604 6888 3075 2900 2800 2333 1860 919 824 800 730 465 230 270 90 37 20 252 36 097 (40 569 t U3O8)
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。
Australia Kazakhstan Canada South Africa Namibia Brazil Russian Fed. USA Uzbekistan Total World total
二、开矿-铀矿
铀 矿 资 源 分 布 图
二、开矿-铀矿
铀矿铀含量： 澳大利亚矿：< O.5% U3O8 加拿大矿： < 20% U3O8
三、转化
转化：U3O8 → UF6
U3O8，因为其色为 黄色，故也俗称黄 饼（yellow cake）
三、转化
UF6 室温下为白色固体结晶(一大气压力下，三相点温度 64°C，在56.5°C升华，饱和蒸汽压120 mmHg)。液 相仅在压强大于1.5个大气压温度大于64°C时存在。
三、转化-UF6
与其它采矿比较，主要 危险：氡气的衰变物 如钋(polonium，α衰 变) 214Po、210Po 安装强力通风系统 必要时使用呼吸器 限制地下作业时间
二、开矿-开采
地下开采-溶液(solution mining)
ISL：in situ leaching (浸滤). 优点：
没有地沉陷； 废弃采矿区前冲刷浸滤过的矿石，危害比采矿开始前还小
二、开矿-开采
开采
露天开采(Open-cast)
澳大利亚的 Ranger 矿
通常深度不超过200300m，适用于接近地 表的平坦的矿床，否 则需要用地下开采法
二、开矿-开采
加拿大的Northern Saskatchewan矿
二、开矿-开采
适合于矿床深度在3003000m深的矿，熟知的采 矿法都可用：如stopping (回采), room-and-pillar(房 柱), longwall retreat(长壁), panel mining(盘区)
二、开矿-铀矿
在自然界 中铀存在 2种同位 素：238U 和235U， 丰度分别 约为 99.3%和 0.7%。矿 中还伴随 着它们的 衰变物， 例如： 238U的衰 变物
Protactinium镤 Thorium钍 Radium镭 Radon氡 Astatine砹
Polonium钋 Thallium铊 Lead铅 Bismuth铋
750kg high level waste
750kg high level waste in 5 tonnes of Pyrex glass contained in stainless steel canisters
23
Final disposal of high level waste
一、引言-反应堆及其燃料