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核燃料循环



1.核工业体系的组成及其流程

核工业是一个十分广大的系统工程,其组成体系包括:铀矿勘探、铀矿 开采与铀的提取、燃料元件制造、铀同位素分离、反应堆发电、乏燃料后处理、同位素应用以及与核工业相关的建筑安装、仪器仪表、设备制造与加工、 安全防护及环境保护。

2.核燃料循环及其组成

核燃料循环是核工业体系中的重要组成部分。所谓核燃料循环是指核燃料的获得、使用、处理、回收利用的全过程。

燃料循环通常分成两大部分,即前端和后端,它包括铀矿开采、矿石加工(选矿、浸出、沉淀等多种工序)、铀的提取、精制、转换、浓缩、元件 制造等 ;后端包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚分离的后处理以 及对放射性废物处理、贮存和处置。

3.铀矿地质勘探

铀是核工业最基本的原料。铀矿地质勘探的任务,是查明和研究铀矿床形成的地质条件,阐明铀矿床在时间上和空间上分布的规律,运用铀矿床形 成和分布的规律指导普查勘探,探明地下的铀矿资源。

地壳中的铀,以铀矿物、类质图象(形成含铀矿物)和吸附状态的形式存在。由于铀的化学性质活泼,所以不存在天然的纯元素。

铀矿物主要是形成化合物。目前已发现的铀矿物和含铀矿物有 170 种以上,其中只有 25-30 种铀矿物具有实际的开采价值。

铀矿床是铀矿物的堆积体。铀矿床是分散在地壳中的铀元素在各种地质 作用下不断集中而成的,也是地壳不断演变的结果。查明铀矿床的形成过程, 对有效地指导普查勘探具有十分重要的意义。

并不是所有的铀矿床都有开采、进行工业利用的价值。影响铀矿床工业评价的因素很多,有矿石品位、矿床储量、矿石技术加工性能、矿床开 采条件,有用元素综合利用的可能性和交通运输条件等。其中矿石品位 和矿床储量是评价铀矿床的两个主要指标。

铀矿普查勘探工作的程序,包括区域地质调查、普查和详查、揭露 评价、勘探等相互衔接的阶段。同时还伴随一系列的基础地质工作,如 地形测量、地质填图、原始资料编录、岩石矿物鉴定、样品的化学和物 理分析、矿石工艺试验等。

4.铀矿开采

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。

铀矿的开采与其他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。

铀矿开采方法主要有露天开采、地下开采和原地浸出采铀三种方法。 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。

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。

原地浸出采铀是通过地表钻孔将化学反应剂注入矿带,通过化学反 应选择性地溶解矿石中的有用成分——铀,并将浸出液提取出地表,而 不使矿石绕围岩产生位移。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。

5.铀提取工艺

铀提取工艺的基本任务是将开采出来的矿厂加工富集成含铀是较高 的中间产品,通常称为铀化学浓缩物,经过进一步强化,加工成铀氧化 物作为下一步工序的原料。

常规的铀提取工艺一段包括,矿石品位、磨矿、矿石浸出,母液分离、 溶液纯化、沉淀等工序。

矿厂开采出来后,经过破碎磨细,使铀矿物充分暴露,以便于浸出, 然后在一定的工艺条件下,借助一些化学试剂(即浸出剂)与其他手段 将矿厂中有价值的组分选择性地溶解出来。

有两种浸出方法,即酸法和碱法。

浸出液中,不仅铀含量低,而且杂质种类多,含量高,必须将这些 杂质去除才能达到核电要求。

这一步溶液纯化过程,有两种方法可供选择,离子交换法(又称吸 附法)和溶剂萃取法。沉淀出铀化学浓缩物的工艺过程是水冶生产的最 后一道工序。

沉淀物经洗涤、压滤、干燥后即得到水冶产品铀化学浓缩物,又称 黄饼。

6.浓缩铀生产技术

以同位素分离为目的,提高铀 -235 浓度的处理即为浓缩。通过浓缩 获得满足某些反应堆所要求的铀 -235 丰度的铀燃料。

现代工业上采用的浓缩方法是气体扩散法和离心分离法。浓缩处理 是以六氟化铀形式进行的。此外,还有激光法、喷嘴法、电磁分离法、 化学分离法等。对铀同位素进行分离,使铀 -235 富集。分离后余下的尾 料,即含铀 -235 约 0.3%的贫化铀可作为贫铀弹的材料等。

7.反应堆用的燃料元件

经过提纯或同位素分离后的铀,还不能直接用作核燃料,还要经过

化学,物理、机械加工等复杂而又严格的过程,制成形状和品质各异的 元件,才能供各种反应堆作为燃料来使用。这是保证反应堆安全运行的 一个关键环节。

按组分特征,可分为金属型、陶瓷型和弥散型三种 ;按几何形状分, 有柱状、棒状、环状、板状、条状、球状、棱柱状元件 ;按反应堆分, 有试验堆元件,生产堆元件,动力堆元件(包括核电站用的核燃料组件)。

核燃料元件种类繁多,一般都由芯体和包壳组成。核燃料元件在核 反应堆中的工作状况十分恶劣,长期处于强辐射、高温、高流速甚至高 压的环境中,因此,芯体要有优良的综合性能。对包壳材料还要求有较 小的热中子吸收截面(快堆除外),在使用寿期内,不能破损。因此,核 燃料元件制造是一种高科技含量的技术。

8.乏燃料的后处理

辐照过的燃料元件从堆内卸出时,无论是否达到设计的燃耗深度, 总是含有一定量裂变燃料(包括未分裂和新生的)。回收这些宝贵的裂变 燃料(铀 -235,铀 -233 和钚)以便再制造成新的燃料元件或用做核武 器装料,是后处理的主要目的。此外,所产生的超铀元素以及可用作射 线源的某些放射性裂变产物(如铯 -137,锶 -90 等)的提取,也有很大 的科学和经济价值。

乏燃料后处理具有放射性强,毒性大,有发生临界事故的危险等特点, 因而必须采取严格的安全防护措施。

后处理工艺可分下列几个步骤:

(1)冷却与首端处理:冷却将乏燃料组件解体,脱除元件包壳,溶解燃料芯块等。 (2)化学分离:即净化与去污过程,将裂变产物从U -Pu 中清除出去 , 然后用溶

剂淬取法将铀 - 钚分离并分别以硝酸铀酰和硝酸钚溶液形式提取出来。 (3)通过化学转化还原出铀和钚。

(4)通过净化分别制成金属铀(或二氧化铀)及钚(或二氧化钚 )。

9.放射性废物处理与处置

在核工业生产和核科学研究过程中,会产生一些具有不同程度放射性的固态、液

态和气态的废物,简称为“三废”。

在放射性废物中,放射性物质的含量很低,但带来的危害较大。由于放射性不受 外界条件(如物理、化学、生物方法)的影响,在放射性废物处理过程中,除了靠放 射性物质的衰变使其放射性衰减外,无非是将放射性物质从废物中分离出来,使浓集 放射性物质的废物体积尽量减小,并改变其存在的状态,以达安全处置的目的。

对“三废”区别不同情况,采取多级净化、去污、压缩减容、焚烧、固化等措施 处理、处置。这个过程称为“三废”处理与处置。例如,对放射性废液,根据其放射 性水平区分为低、中、高放废液,可采用净化处理、水泥固化或沥青固化、玻璃固化。 固化后存放到专用处置场或放入深地层处置库内处置,使其与生物圈隔离。

(信息来源:中国知网)