核燃料循环简介

核燃料循环简介

邓泽和

(核工业五○四厂)

关键词　核燃料循环,235U

1　概述

核反堆技术的进步与成熟加速了50年代核电站的兴起。目前全球约有十几种堆型近500座核电站。核能发电已占世界总发电量的20%左右。铀是当前核电站的主要燃料,一座100万k W 的核电站每年消耗3.0%左右的浓缩铀约27t ;相同规模的燃煤电站则需270万吨标煤,相当于5400个车皮的标煤。可见铀同位素为人类提供的能源是多么丰富的。

核电站的发展,促进了核燃料的开发利用,加快了核燃料循环的深入发展。

用于裂变反应的235U 的天然铀中含量极微,其天然丰度仅为0.7%左右。从铀矿开采、冶炼,经铀化工转换,到浓缩成核动力堆用产品,需要经过一系列的加工处理;经过核反应堆卸出的乏燃料需要经冷却、贮存和后处理后,再对其有用部分加以利用,对其放射性废物则需进行处理。这样就形成了一个庞大的核燃料循环系统工程。核燃料循环系统主要包括:铀矿的开采与冶炼、铀化工转换、铀同位素浓缩、核燃料元件制造和乏燃料的后处理五个方面。核燃料的循环过程,就是在相应的企业中,分别进行相应的加工和处理,使其具备使用功能和条件,提供给下一循环利用。核燃料循环的主要过程见图1。

66图1核燃料循环系统示意图

UF 钚-239矿

渣

矿石乏燃料冷却贮存生产堆废物处理矿石开采与冶炼

天然铀元件加工

转化

为

UF 乏燃料后处理核动力堆

浓缩铀元件加工

贫化铀浓缩铀

2转化为UO 2　铀矿的开采与冶炼(图2)

铀矿地质勘查是提供铀矿储量的基础工作。在我国,要探明铀矿的储量,一般要经过地质普查、详查和勘探三个阶段,约需5年的时间。

铀矿开采分露天和地下开采两种方式,类似于煤矿开采。区别在于铀矿开采面的地质条件差,工作环境恶劣。

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。目的是将具有工业品位

・62・ 北方八省(市、区)第二次核技术应用学术会议

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2铀矿冶炼工艺示意图

配矿

破碎预处理选矿、焙烧

2

33煅烧为U O 或UO 氨水沉淀黄饼(ADU )、碳酸铵结晶(AUT )

铀的富集、回收、淋洗、反萃取

铀的富集、回收、吸附、萃取

固体分离、过滤、浓密、分级

浸出(用酸或碱溶液去除杂质)

矿石准备铀矿石资源

3　铀化合物转换(或称铀化工转换)

在核燃料循环中,铀化合物转换是指将水冶产品中的铀转为核纯金属或U F 6所经过的物理化学过程,其产品作为铀浓缩的原料。铀化合物转换主要包括铀化物核纯和铀化工转换。铀化物核纯,是通过纯化去掉铀化合物中影响浓缩过程的杂质,确保产品质量。目前,纯化一般有干法、湿法两种方法。湿法的特点是在开始去除杂质,干法则是在转化的最后阶段去除杂质。目前采用的较经济可行的方法是湿法纯化。

铀化工转换通常是指将U F 4转化生产为U F 6产品,为铀浓缩提供原料。把U F 4转换生产为U F 6产品,主要采用氟化生产工艺,其主要生产工艺流程见图3。

4　铀的浓缩

铀浓缩是指把235U 丰度为(0.6～0.71)%的U F 6,通过相应的分离技术,将其浓缩为军民用核燃料所需的丰度。现在铀浓缩方法仍属敏威技术,世界各国均相互保密。最成熟的铀浓缩方法是扩散法,也是最早用于工业规模生产浓缩铀的方法。目前扩散法生产能力在世界其它分离方法总能力中仍占有相当大的比例。

扩散法是利用235U 与238U 分子质量的差异,借助于多孔介质,实现对235U 浓缩的。目前美、法等国均有扩散厂,法国在用扩散法浓缩235U 的生产厂中,是经济效益最好的国家。

离心法是60年代后发展较快的铀浓缩方法。其原理是借助于高速旋转的离心力,将235U 与236U 分子分离,实现对235U 的富集。目前,在西欧、俄罗斯和日本已相继建立了离心铀浓缩厂。

・72・辐射防护通讯 1994年　第14卷　第4期

6图3铀化工转换生产工艺流程示意图

642

22FH N 、F UF 氟化炉氟化反应废料渣

炉气过滤

冷凝取料

UF 液化取样

UF 原料分装三废排放

尾气处理F 、HF 处理激光分离法是70年代出现的铀同位素分离技术,其比电耗优于离心分离法。激光分离法主要以原子蒸汽法和分子法为主。最近,原子蒸汽法已进入扩大试验阶段,预计二十一世纪初可望形成工业生产规模。

5　核燃料元件的制造

核燃料元件是核动力堆能量的源泉,是核燃料实现核能转变为电能的关键部件。核燃料元素的配置和结构,可视核反堆堆型的不同而异。一般动力堆用陶瓷型燃料元件(UO 2),生产裂变材料钚—239的反应堆用金属型燃料元件。核燃料元件的结构有棒状、板状、管状和球状四种类型。二氧化铀陶瓷材料是商用动力堆常用的燃料型态。6　乏燃料处理

乏燃料是指从反应堆中卸出的辐照过的燃料元件,通常称乏燃料元件。乏燃料处理是核燃料循环的最后阶段,目的是将乏燃料中可用材料与放射性废物分开,使有用燃料得以循环利用,对无用废料固化封存处置。

图4乏燃料后处理工艺流程示意图

2233除去裂变产物的UO (NO )除去裂变产物的PuNO 废物容器铀、有机液剂(T BP )萃取、除去态裂变产物硝酸中溶解组件和元件脱壳

后处理厂贮存

乏燃料冷却贮存乏燃料组件运输

核动力堆卸料目前工业规模的乏燃料处理采用有机萃取剂,把铀和钚从它们的硝酸水溶液中萃取出来。通常应用的是磷酸汀酯萃取铀和钚工艺,也就是普雷克斯流程。主要工艺流程见图4。

7　结束语

以上简要介绍了核燃料循环的主要过

程及各个阶段的主要作用及其工艺技术原

理。据估算,在核燃料循环过程中,铀浓缩和

乏燃料处理阶段,用于核燃料料循环的成本

所占比例较大,是核燃料循环加强技术经济

管理的主要方面。随着经济技术的发展,核燃料循环系统将会得到进一步发展。・82・ 北方八省(市、区)第二次核技术应用学术会议