第六章-核燃料循环课件.ppt

1、Nuclear Fuel CycleNuclear Fuel Cycle前端后端Nuclear Fuel Cycle前端后端六氟化铀黄饼矿石冶炼转化浓缩芯块烧结组装组件MiningUranium Ore Processing Conversion(UO2,UO3,UF4,UF6,U3O8,U)Uranium EnrichmentFuel Fabrication(AGR,FBR,GCR,LWR,MAGNOX,MOX,PHWR,RBMK,Pellets)加拿大哈萨克斯坦澳大利亚南非美国价格天然铀资源用于热中子反应堆用于快中子反应堆不回收核燃料回收核燃料并复用钚复用钚勘定储量：5Mt81118236

2、8850推测储量：25Mt405590118044250包括海水中的铀：25Gt4050059000118004425001t天然铀的产能值（MWd/t）5500*8000*16000*600000折算为标准煤吨数1622523600472001770000按能值折算为标准煤单位：Gt标准煤*:分离工厂贫铀中U235含量取0.2野外勘探野外勘探遥感合成图遥感合成图铀矿铀矿核工业总公司铀矿石铀矿石铀矿放大10000倍广东湖南江西云南广西浙江新疆河北陕西Mining 特点中国第一个铀矿选矿厂位于矿附近苏联技术建于1960年磁选分离Uranium Ore Processing 铀的选矿n重力选矿、磁

3、选选矿、放射性选矿 铀的水冶n将铀溶解的化学反应过程（用酸或碱的水溶液）铀的纯化n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 (天然铀)浸出浸出铀矿开采铀矿开采铀矿开采从铀矿中提取、浓缩、纯化精制天然铀产品提铀提铀铀含量0.1%0.2%形态矿石矿浆粉末核纯铀核纯铀40%70%陶瓷等75%n中国有几十座矿山、铀水冶厂、铀开采联合企业中国有几十座矿山、铀水冶厂、铀开采联合企业核工业总公司堆浸提铀堆浸提铀n目的在一定的工艺条件下，借助于一些化学溶剂或其它手段，将矿石中有价值的组份，选择性地浸出或者浸取n浸出方式地浸 in situ leachingn直接在矿中浸出溶液

4、的方式堆浸heap leachingn在矿地将矿石堆在一起，用溶液浸出的方式原地爆破浸出工艺n先将矿石原地爆破破碎后浸出的方式搅拌浸出（池浸）n将矿石运至水冶厂，在专用搅拌浸出池中进行的方式搅拌浸出堆浸池浸矿石n目的 将浸出液中的铀与杂质分离 使铀得到部分浓缩n提取和沉淀方式 离子交换法 溶液萃取法 加入沉淀剂使铀化学浓缩物沉淀 将沉淀物洗涤、压滤、干燥n原料 含铀矿浆n产品 铀化学浓缩物(黄饼)n重铀酸钠n重铀酸氨 含铀量40%70%仍含大量杂质 中国第一座且最大的大型铀水冶纯化厂 又名414厂、272厂 建于1958年 容量：1100tU/y，正常产量：500tU/y 用 A/IX(aci

5、d leaching/ion exchange)处理方法，磁选分离 产品：U308 product 建于1976年 容量：200tU/y，正常产量：300tU/y 离子交换法 溶液萃取法 分布结晶法铀化学浓缩物()铀精制厂$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(UFUF6 6)的全部物理化学 过程铀转化工厂铀转化工厂六氟化铀黄饼中国有三座铀转化厂，主要集中在中国的西北地区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天然铀（0.7%U235）低浓缩铀（35%U235）U235铀同位素分离扩散机群铀同位素分离

6、扩散机群Gaseous diffusion铀同位素离心级联铀同位素离心级联Ultracentrifugation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）铀浓缩-同位素分离青森県上北郡六所村大字尾駮字野附铀同位素分离扩散机群铀同位素分离扩散机群Gaseous diffusion铀的浓缩n用于大多数核电站n动力反应堆铀燃料的主要形式：UO2n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）n因为同位素有几乎相同的化学特性，不易用化学分离n铀的浓

7、缩是精炼油的物理过程 利用微小质量差分离U238和U235 需首先将氧化物转换成六氟化铀气体:UF6n浓缩厂的最终产品为UF2铀的浓缩方法气体扩散法n最成功、最经典的方法n轻同位素气态时移动较快，通过多孔分离膜抽取，如3%浓、0.2%贫,需要3900级n美国、法国等使用气体离心法n通过重力和离心场，重的在外n单位分离功耗电只是气体扩散法的5%，成本下降了75%n日本、欧洲等气体喷嘴法n高速吹向凹型壁，惯性和离心力使重物近壁面激光分离法n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n商业上尚未得到试验验证n美国、日本在研究法国意大利

8、西班牙伊朗英国德国美国气体扩散法气体扩散法燃料芯块压水堆燃料组件重水堆燃料组件化工过程(将UF6转化为UO2)压制过程(陶瓷)元件总装组件组装核燃料元件制造fuel fabricationn核燃料特性 高热导率 抗辐照能力n避免肿胀、开裂、蠕变引起的变形 化学稳定性n防止与冷却剂的化学反应 高的熔点 易加工的物理、力学性能 低膨胀系数 含较高浓度易裂变物资 不含中子吸收截面大的其它物质核燃料元件制造n燃料元件的种类 陶瓷型nUO2，轻水堆动力反应堆nUO2-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 棒状、板状、球状n制造工艺 准备过程

9、n化工过程：将UF6转化为UO2，有干法、湿法，为主要经济过程之一n压制过程：将UO2制成粉末、压制并烧结成芯块，研磨、成品检查n总装：将芯块组合成套，组装成燃料元件 元件包壳管和端塞的准备：如检验、探伤、加工、检查、焊接 燃料组件组装用零件的准备、套配：如外壳、管座、定位格架、连杆 燃料组件的组装，台架检验 Status Facility TypeIn OperationStand By Shutdown PlannedUnder ConstructionAvaiting LicenseOtherCancel.DecommissioningDecommissionedDeferredUnde

10、r StudyTotalAFR Dry SFS3612168467AFR Wet SFS37111343Conversion321102112554Enrichment22141111424243Fuel Fabrication-MOX10223139333Fuel Fabrication-U47472251582Heavy Water Production1043219Reprocessing1255122238260U Recovery from Phos.1621113116U Ore Processing46143761185048175Zircaloy Tubing1411117Zi

11、rconium Alloy6121111Total2733576341881249951811620IAEA-IAEA-Nuclear Fuel Cycle Information System（NFCIS)统计数据2003$n铀转换 提供六氟化铀状态的金属铀n铀的浓缩 价格在核燃料循环中具有很重要的地位 铀同位素的分离费：分离功的价格 与原料浓度、浓缩铀产品浓度、贫铀浓度有关 贫铀浓度与决定了价格的升降：最优化贫铀浓度，0.20.4%n燃料元件组件的加工成本 以铀金属重量计算，约300$/kgU。n乏燃料回收 Reprocessingn再浓缩后利用储存 中间储存 AFR Spent Fuel

12、 Storage(Wet or Dry)中国第一座动力堆乏燃料元件后处理中间试验厂中国第一座动力堆乏燃料元件后处理中间试验厂（中试工程中试工程），兰州），兰州404404厂厂设计能力为日处理100公斤乏燃料后处理厂检修大厅后处理厂检修大厅机械设备实验大厅机械设备实验大厅对乏燃料进行处理，对铀、钚回收，并重返燃料循环MOX燃料：混合铀/钚氧化燃料Mixed uranium and plutonium Oxides fuel乏燃料的处理,spend fuelPool storage,池内储存Shearing,切割Dissolution,分解Vitrification,玻璃化法国有三分之一核电站用M

13、OX燃料乏燃料的成分 裂变产物：3 钚：1 铀235:1 铀238：95MOX燃料 混合铀/钚氧化燃料 铀：钚1：1再浓缩燃料 铀235:3 铀238：97青森県上北郡六所村大字尾駮字野附法国英国俄罗斯印度日本天然铀低浓铀（发电前）低浓铀（发电后）MOX燃料U235U238Pu239FPU238等铀铀钚钚燃耗燃耗铀燃料堆芯MOX燃料堆芯 中国已经建成两座中低放废物处置场 高放废物管理技术也在积极地研究中 中核清原公司负责全国的低、中放固体废物处置场的选址、设计、建设和运行将后处理中产生的高、中、低放射性废物浓缩之后进行处理和中间储存，最后进行最终处置广东北龙废物处置场（8800立方米，远期规划

14、容量万立方米）西北废物处置场（首期废物容量为万立方米）n稀释和弥散入环境 低放物n浓缩、包容和隔离n废物的分类 高水平放射性废物（HLW），中等水平的放射性废物（MLW）低水平放射性废物（LLW）n废物的处理和处置净化系统低阶放射性废料压缩装桶汽体放射性物质的处理焚化炉 压缩装桶搬运处理核废料运输器械贮存场壕沟内废料桶排列情形 低放射性廢料運輸船 西班牙El Cabril 低放射性废料最终处置场最终处置场 避免或减少因地下水等媒介将放射性核种迁移至人类生活圈 多重障壁之设计来阻滞放射性核种的迁移 确保长期置放的过程中，不致对环境 质量与人类生活安全造成不良之影响 全球约有73座低放射性废弃物最

15、终处置场，分属32个国家 哥伦比亚市近郊 浅地掩埋方式进行处置 废料桶在处置沟内放置定位后，3呎厚之砂层覆盖其上，并填满其间之空隙 处置沟全部填满后，其上方再覆盖2呎之覆盖材质，并以振动压土机压实，使其压密达到原有体积之90%约一年后，其上再覆盖1呎之表土处置作业 已完成处置作业之绿地最终处置场处置沟設施外觀運轉情形 位于巴黎东方约200公里之一片森林中 1981年开始计划执行到1992年正式启用约花了11年 处置场拥有100万立方公尺容量最终处置场鸟瞰图 日本青森县上北郡六个所村 第一阶段容量为40,000立方公尺(约为200,000桶)处置设施规划为40个处置坑(pit)，每一个处置坑为24公尺长、24公尺宽、6公尺深，划分为16个处置槽，每一个处置槽分为8层，每层8列、5行，可容纳320桶废料桶(每桶55加仑)，每一处置坑可容纳5,120桶。最终处置场实景 Surry核电厂乏燃料金属贮存Surry核电厂乏燃料自池中移至金属贮存罐之作业情形 Surry核电厂乏燃料中期贮存露天贮存场 废物储存库 检查装置表面汚染密度測定 废物运输 低放射性废物管理仓库概略图在废物体之间充填材料盖土(4m以上)混凝土(2m以上)覆盖充填Waste storage内华达永久性核废料贮藏所