1、第三章第三章 核燃料元件的类型及后处理工核燃料元件的类型及后处理工艺的基本过程艺的基本过程3.13.1不同类型反应堆乏燃料元件对后处理工艺不同类型反应堆乏燃料元件对后处理工艺的影响的影响3.1.1 3.1.1 概述概述 核燃料后处理的对象核燃料后处理的对象 反应堆燃料元件反应堆燃料元件 固态固态 按照物理状态可分为：按照物理状态可分为：液态液态 气态气态 核燃料在反应堆中的核燃料在反应堆中的核反应核反应：主要有：主要有 核裂变核裂变 ：产生裂变产物产生裂变产物 中子俘获中子俘获：产生超铀元素：产生超铀元素 235235U U核裂变核裂变裂变产物的生成方式：裂变产物的生成方式：母核衰变母核衰变
2、前驱核的中子俘获前驱核的中子俘获 自身衰变自身衰变裂变产物的消失方式裂变产物的消失方式 自身的中子俘获自身的中子俘获 乏燃料的组成受以下因素的影响：乏燃料的组成受以下因素的影响：辐照前其易裂变材料和增殖材料的种类辐照前其易裂变材料和增殖材料的种类数量；数量；受照中子能谱和中子通量；受照中子能谱和中子通量；燃烧时间和冷却时间；燃烧时间和冷却时间；生产堆生产堆 常见的不同堆型常见的不同堆型 动力堆动力堆 研究试验堆研究试验堆动力堆乏燃料的特点：动力堆乏燃料的特点：235235U U的富集度较高的富集度较高 放射性比活度高放射性比活度高 超铀元素含量高超铀元素含量高 裂片元素的相对含量发生变化裂片元
3、素的相对含量发生变化3.1.2 3.1.2 不同类型反应堆乏燃料元件对后处理不同类型反应堆乏燃料元件对后处理工艺的影响工艺的影响1.1.轻水堆轻水堆 以水作冷却剂和慢化剂，压水堆和沸水堆属于此以水作冷却剂和慢化剂，压水堆和沸水堆属于此类。类。压水堆：以压水堆：以浓缩铀的氧化物作燃料浓缩铀的氧化物作燃料，锆合金或不，锆合金或不锈钢作包壳。锈钢作包壳。由于由于235235U U的富集度提高，乏燃料中裂变产物和超的富集度提高，乏燃料中裂变产物和超铀元素份额增加，还有铀元素份额增加，还有9999Tc Tc、129129I I、3 3H H、237237NpNp等等都给后续处理带来困难。都给后续处理带来
4、困难。压水堆的压水堆的优点优点：慢化剂和冷却剂的水在堆内均匀：慢化剂和冷却剂的水在堆内均匀分布，所以燃料元件的功率密度较高且分布均匀。分布，所以燃料元件的功率密度较高且分布均匀。缺点缺点：如果堆内水沸腾就会破坏堆运行的稳定性。：如果堆内水沸腾就会破坏堆运行的稳定性。堆壳要承受较高的温度和较大的压力，建造投资堆壳要承受较高的温度和较大的压力，建造投资大。高温、高压下热循环部件易破裂损坏。更换大。高温、高压下热循环部件易破裂损坏。更换原料必须停堆。原料必须停堆。沸水堆的沸水堆的优点优点：堆内压力和温度都比压水堆低，：堆内压力和温度都比压水堆低，但热功率和电功率也比较高。安全性能好。但热功率和电功率
5、也比较高。安全性能好。缺点缺点：功率升高时，水沸腾加速，蒸汽增多，水：功率升高时，水沸腾加速，蒸汽增多，水体积减少，慢化能力降低，裂变反应性下降，功体积减少，慢化能力降低，裂变反应性下降，功率随即降低。率随即降低。采用沸水堆的主要有美国、日本和西欧各国。采用沸水堆的主要有美国、日本和西欧各国。2.2.重水堆重水堆 以重水作慢化剂的反应堆。最大以重水作慢化剂的反应堆。最大优点优点是重水是重水的核性能好，氘的中子俘获截面小，常用天然铀的核性能好，氘的中子俘获截面小，常用天然铀的二氧化物作燃料。的二氧化物作燃料。缺点缺点是重水价格昂贵，建堆成本高。是重水价格昂贵，建堆成本高。乏燃料中乏燃料中2352
6、35U U的丰度的丰度0.2%0.2%，钚的含量为，钚的含量为0.4%0.4%。无回收价值。无回收价值。3.3.气冷堆气冷堆 以天然铀或浓缩铀作燃料。燃料的包壳为镁以天然铀或浓缩铀作燃料。燃料的包壳为镁诺克斯合金。这种燃料每吨可回收诺克斯合金。这种燃料每吨可回收1.8-2.0kg1.8-2.0kg钚。钚。以二氧化碳作冷却剂，因此，体积庞大，设备笨以二氧化碳作冷却剂，因此，体积庞大，设备笨重，发电成本高。重，发电成本高。其乏燃料中其乏燃料中235235U U的丰度不高，所以不回收，一的丰度不高，所以不回收，一般送去贮存。般送去贮存。4.4.先进型气冷堆先进型气冷堆 使用低富集铀为燃料，使用低富集
7、铀为燃料，235235U U的富集度为的富集度为2%-3%2%-3%，燃耗可达燃耗可达24000MWd/t24000MWd/t。采用不锈钢作燃料包壳。采用不锈钢作燃料包壳。乏燃料中铀有回收价值。乏燃料中铀有回收价值。5.5.高温气冷堆高温气冷堆 它是以惰性气体氦作冷却剂，用热解碳包裹它是以惰性气体氦作冷却剂，用热解碳包裹颗粒状浓缩铀氧化物分散于石墨中做成颗粒状浓缩铀氧化物分散于石墨中做成UCUC2 2-ThC-ThC2 2燃料元件。石墨作包壳材料。燃料元件。石墨作包壳材料。6.6.快中子增殖堆快中子增殖堆 以铀氧化物作燃料，其中含有约以铀氧化物作燃料，其中含有约15%15%的氧化的氧化钚。燃料
8、用含钚。燃料用含16%Cr16%Cr和和13%-16%Ni13%-16%Ni的奥氏体钢的奥氏体钢包裹。液态金属钠或氦气作冷却剂。包裹。液态金属钠或氦气作冷却剂。快堆不使用慢化剂。快堆不使用慢化剂。快堆乏燃料中钚的含量较高，乏燃料溶解前还要快堆乏燃料中钚的含量较高，乏燃料溶解前还要除钠，后处理难度大。除钠，后处理难度大。v增殖反应堆中产生的钚中，增殖反应堆中产生的钚中，239239PuPu约占约占60%-60%-70%70%，240240PuPu（20%-25%20%-25%），），241241Pu Pu（5%-5%-10%10%）和）和242242PuPu（1%-2%1%-2%）7.7.铀钚氧
9、化物混合燃料铀钚氧化物混合燃料 将铀和钚制成氧化物混合燃料（将铀和钚制成氧化物混合燃料（MOXMOX），其中），其中钚含量一般为钚含量一般为5%-10%5%-10%，其设计以，其设计以UOUO2 2燃料当量为参燃料当量为参照点。照点。MOXMOX燃料中，燃料中，239239PuPu和和241241PuPu是易裂变核素，是易裂变核素，240240PuPu是中子吸收剂，也能转换成是中子吸收剂，也能转换成241241PuPu，242242PuPu和和241241PuPu的的衰变子体是衰变子体是241241AmAm，241241AmAm的中子吸收截面很大。的中子吸收截面很大。后处理厂提取的钚产品由于衰
10、变后处理厂提取的钚产品由于衰变241241PuPu会损失，会损失，241241AmAm会积累。会积累。MOXMOX乏燃料在后处理时必须注意如下几点：乏燃料在后处理时必须注意如下几点：MOX MOX乏燃料的后处理必须与乏燃料的后处理必须与UOUO2 2乏燃料以乏燃料以1 1：4 4至至1 1：1010的比例混合。的比例混合。由于乏燃料中钚含量高，会影响生产能由于乏燃料中钚含量高，会影响生产能 力，力，考虑设置与铀元件摻兑的中间贮存设施。考虑设置与铀元件摻兑的中间贮存设施。从乏燃料中回收的钚，因从乏燃料中回收的钚，因241241Pu Pu、241241AmAm放放射性强，处理相对困难。射性强，处理
11、相对困难。3.2 核燃料后处理工艺原理流程3.2.1 3.2.1 世界各国应用世界各国应用PurexPurex工艺流程概况工艺流程概况 生产堆乏燃料元件的后处理，国内外曾采用两生产堆乏燃料元件的后处理，国内外曾采用两个磷酸三丁酯萃取循环。个磷酸三丁酯萃取循环。动力堆由于燃耗深，放射性比活度高，其乏燃动力堆由于燃耗深，放射性比活度高，其乏燃料元件的后处理流程大多采用料元件的后处理流程大多采用 3TBP3TBP。3.2.2 Purex流程的主要工艺步骤 如图：3.2.3 3.2.3 热中子堆乏燃料后处理工艺原理流程热中子堆乏燃料后处理工艺原理流程 动力乏燃料堆相对于生产堆有如下改进：动力乏燃料堆相
12、对于生产堆有如下改进：增加增加PurexPurex流程的萃取循环数流程的萃取循环数 需要铀、钚产品的净化系数分别要大于需要铀、钚产品的净化系数分别要大于10106 6、10107 7。采用采用PurexPurex二循环加尾端处理或二循环加尾端处理或PurexPurex三循三循环流程，即可达到产品质量指标。环流程，即可达到产品质量指标。铀的最终纯化采用硅胶吸附，钚可用胺类萃取铀的最终纯化采用硅胶吸附，钚可用胺类萃取或阴离子交换。或阴离子交换。适当调整适当调整PurexPurex流程的工艺参数流程的工艺参数 动力堆乏燃料中钚和钌的含量较高，共去污动力堆乏燃料中钚和钌的含量较高，共去污萃取器采用高酸
13、（萃取器采用高酸（2 23mol/L3mol/L）进料、高酸）进料、高酸（2 24mol/L4mol/L）洗涤的操作方式。）洗涤的操作方式。调制共去污料液时，进行氧化预处理调制共去污料液时，进行氧化预处理 在进行共去污之前，对料液进行预处理是除钌在进行共去污之前，对料液进行预处理是除钌措施之一。措施之一。除钌的三种氧化预处理方法：除钌的三种氧化预处理方法：往料液中通入臭氧，使钌转化为挥发性物质。往料液中通入臭氧，使钌转化为挥发性物质。Ru4+2O3+2H2O RuO4+2O2+4H+将纯氧通入到温度是将纯氧通入到温度是100100的料液中，使某些的料液中，使某些易被易被TBPTBP萃取的钌转变
14、成不易被萃取的钌。萃取的钌转变成不易被萃取的钌。往料液中加入往料液中加入KMnOKMnO4 4溶液氧化钌，产物溶液氧化钌，产物MnOMnO2 2在在沉淀过程中可吸附载带锆、铌等裂片元素。这沉淀过程中可吸附载带锆、铌等裂片元素。这种方法在料液酸度低时才有效。种方法在料液酸度低时才有效。另外，可以将亚硝气通入料液，使亚硝酰钌另外，可以将亚硝气通入料液，使亚硝酰钌的硝酸根络合物转变成为亚硝酸根络合物，除的硝酸根络合物转变成为亚硝酸根络合物，除去钌。去钌。热中子反应堆中，锆的产额比钌大得多，除锆热中子反应堆中，锆的产额比钌大得多，除锆一般加入一般加入F F-离子，形成的氟锆络合物不易被离子，形成的氟锆
15、络合物不易被TBP TBP 萃取。但钚也能与萃取。但钚也能与F F-形成络合物，因此，形成络合物，因此，F F-的引的引入量必须严格控制。入量必须严格控制。提高溶剂质量、采用离心萃取器，以减少溶剂的提高溶剂质量、采用离心萃取器，以减少溶剂的辐射损伤。辐射损伤。要采取措施确保工艺系统的核临界安全。要采取措施确保工艺系统的核临界安全。共去污分离循环主要由共去污分离循环主要由1A1A、1B1B、1C1C三个萃取器三个萃取器组成，主要任务是实现铀钚与裂片元素的分离，组成，主要任务是实现铀钚与裂片元素的分离，以及铀钚之间的相互分离。以及铀钚之间的相互分离。铀的净化循环主要由铀的净化循环主要由2D2D、2
16、E2E、3D3D、3E3E四个萃取四个萃取器组成，主要完成第一、第二萃取循环铀产品的器组成，主要完成第一、第二萃取循环铀产品的进一步净化。进一步净化。钚的净化循环主要由钚的净化循环主要由2A2A、2B2B、3A3A、3B3B四个萃四个萃取器组成，主要完成第一、第二萃取循环钚产品取器组成，主要完成第一、第二萃取循环钚产品的进一步净化及浓缩。的进一步净化及浓缩。原理流程的设计时要注意：原理流程的设计时要注意：控制易裂变物质的浓度；控制易裂变物质的浓度；易裂变物质在萃取设备的内循环；易裂变物质在萃取设备的内循环；工艺过程中酸度的变化，防止易裂变物质工艺过程中酸度的变化，防止易裂变物质浓集或沉淀。浓集
17、或沉淀。3.2.4 3.2.4 快中子增殖堆乏燃料后处理的基本步快中子增殖堆乏燃料后处理的基本步骤骤快中子增殖堆铀钚氧化物混合燃料流程特点：快中子增殖堆铀钚氧化物混合燃料流程特点：快中子增殖堆活性区燃料裂变产物的含量高达快中子增殖堆活性区燃料裂变产物的含量高达10%10%。由于放射性比活度高，辐射分解效应增大，降解由于放射性比活度高，辐射分解效应增大，降解产物与多种金属离子络合难以萃取。产物与多种金属离子络合难以萃取。待处理溶液中钚的含量比热中子堆乏燃料溶液高待处理溶液中钚的含量比热中子堆乏燃料溶液高一个数量级。一个数量级。待处理溶液中大量钚的存在，必须确保整个过程待处理溶液中大量钚的存在，必
18、须确保整个过程的核临界安全，不能使钚积累到临界浓度。的核临界安全，不能使钚积累到临界浓度。乏燃料元件的运输形式有三种：即汽车运输、乏燃料元件的运输形式有三种：即汽车运输、铁路运输和海上运输。铁路运输和海上运输。从核电站出来的乏燃料都转运到反应堆附近从核电站出来的乏燃料都转运到反应堆附近的贮存库。的贮存库。3.3 3.3 乏燃料元件的运输与贮存乏燃料元件的运输与贮存 放射性物质运输规范遵循放射性物质运输规范遵循放射性物质安全放射性物质安全运输条例运输条例 运输容器是乏燃料运输的关键设备。它具有运输容器是乏燃料运输的关键设备。它具有安全要求高、结构复杂、质量大等特点。运输容安全要求高、结构复杂、质
19、量大等特点。运输容器系统包括：器系统包括：（1 1）容器壳体；（）容器壳体；（2 2）运输系统）运输系统；（；（3 3）外壳顶）外壳顶盖；（盖；（4 4）内部燃料支承结构；（）内部燃料支承结构；（5 5）辅助部件。）辅助部件。容器壳体包括结构材料、容器壳体包括结构材料、屏蔽材料和中子屏屏蔽材料和中子屏蔽材料。蔽材料。结构材料有结构材料有304304不锈钢、球墨铸铁。在运输容不锈钢、球墨铸铁。在运输容器中多用铅和贫铀作器中多用铅和贫铀作屏蔽材料。硼化树脂、硼屏蔽材料。硼化树脂、硼化聚乙烯等固体材料均可用作中子屏蔽。化聚乙烯等固体材料均可用作中子屏蔽。运输容器的内外壁是钢包壳，中间是铅屏蔽运输容器
20、的内外壁是钢包壳，中间是铅屏蔽层。层。二、贮存二、贮存 贮存方法：湿法贮存和干法贮存。湿法贮存是目贮存方法：湿法贮存和干法贮存。湿法贮存是目前乏燃料元件贮存的主要方法。前乏燃料元件贮存的主要方法。1 1、湿法贮存又可分为、湿法贮存又可分为堆址贮存堆址贮存、离堆中间贮存离堆中间贮存和后和后处理前的处理前的原料仓库贮存原料仓库贮存。（1 1）贮存水池：水池敷有不锈钢覆面，池中设有）贮存水池：水池敷有不锈钢覆面，池中设有两套冷却和净化装置。冷却系统是维持水温在两套冷却和净化装置。冷却系统是维持水温在4040左右运行。净化系统主要由过滤器和离子交左右运行。净化系统主要由过滤器和离子交换树脂柱组成。换树
21、脂柱组成。控制贮存水池化学物质浓度和放射性浓度的措控制贮存水池化学物质浓度和放射性浓度的措施如下施如下：（1 1）用离子交换法除去离子态物质，使水池中的水）用离子交换法除去离子态物质，使水池中的水为去离子水。为去离子水。（2 2）用过滤器除去固体微粒；）用过滤器除去固体微粒；（3 3）用撇渣器除去水池中的表面污物；）用撇渣器除去水池中的表面污物；（4 4）用真空抽吸器去除池底的颗粒。）用真空抽吸器去除池底的颗粒。不同的燃料元件对于贮存水池中的池水水质不同的燃料元件对于贮存水池中的池水水质的要求也不尽相同。沸水堆、重水堆的乏燃料贮的要求也不尽相同。沸水堆、重水堆的乏燃料贮存水池要求池水的存水池要
22、求池水的PHPH值为值为5.35.37.57.5、氯离子浓度、氯离子浓度0.5ppm0.5ppm，用氧饱和了的去离子水。，用氧饱和了的去离子水。（2 2）贮存装置：一种是格架，另一种是吊篮。）贮存装置：一种是格架，另一种是吊篮。格架结构比较稳定，格架结构比较稳定，抗震性能良好，易于抗震性能良好，易于 制造安装，便于调整制造安装，便于调整 栅距尺寸，不需要维栅距尺寸，不需要维 修。修。吊篮具有贮存和运输两种功能，吊篮是高径吊篮具有贮存和运输两种功能，吊篮是高径比较大，稳定性抗震性能差，并且按照一定的顺比较大，稳定性抗震性能差，并且按照一定的顺序排列。序排列。（3 3）密集贮存）密集贮存 就是设计
23、并制作不同结构的格架贮存不同浓就是设计并制作不同结构的格架贮存不同浓度的燃料组件。目前主要的措施是采用含中子吸度的燃料组件。目前主要的措施是采用含中子吸收剂组分的不锈钢作格架材料。收剂组分的不锈钢作格架材料。可以用改变贮存架的方法来提高乏燃料贮存可以用改变贮存架的方法来提高乏燃料贮存密度。密度。2 2、干法贮存、干法贮存 通用的干法贮存有三种：通用的干法贮存有三种：贮存室、容器贮存贮存室、容器贮存和和干井贮存干井贮存。容器贮存又分为。容器贮存又分为混凝土贮存混凝土贮存和和金属金属容器容器两类。两类。干法贮存的主要问题是乏燃料的衰变热的导出干法贮存的主要问题是乏燃料的衰变热的导出问题。由于气体的
24、导热性能差。问题。由于气体的导热性能差。在开始时，衰变热释出率很高，燃料和包壳与在开始时，衰变热释出率很高，燃料和包壳与空气接触而发生氧化，随温度的升高氧化会增强，空气接触而发生氧化，随温度的升高氧化会增强，所以使用高纯度的惰性气体。所以使用高纯度的惰性气体。（1 1）贮存室）贮存室 贮存室由混凝土屏蔽墙围筑起来的大房间，贮存室由混凝土屏蔽墙围筑起来的大房间，里面设有乏燃料接收、运转和预处理设施。里面设有乏燃料接收、运转和预处理设施。贮存室采用的冷却系统可分为两类。贮存室采用的冷却系统可分为两类。一类是闭合回路系统，通过人工的或自然的对流一类是闭合回路系统，通过人工的或自然的对流使气体流经乏燃
25、料带走热量释放到大气里。第二使气体流经乏燃料带走热量释放到大气里。第二类为开放式回流系统，乏燃料释放的热量由抽风类为开放式回流系统，乏燃料释放的热量由抽风烟机带走。烟机带走。（2 2）干井干井 实际为在地面下开洞，或者说打井。典型尺实际为在地面下开洞，或者说打井。典型尺寸为：深寸为：深7.5m7.5m、直径、直径0.50.50.950.95。由地质层来屏蔽。由地质层来屏蔽乏燃料的辐射。乏燃料的辐射。干井贮存适用于地下水位很低的地区或沙漠干井贮存适用于地下水位很低的地区或沙漠地带。地带。（3 3）混凝土贮存罐）混凝土贮存罐 可以看作是一微型贮存室。其典型尺寸为：可以看作是一微型贮存室。其典型尺寸
26、为：高高5.3m5.3m，外径，外径2.3m2.3m，重量，重量505070t70t。贮罐内部用钢。贮罐内部用钢和铅衬里，垂直放在露天的混凝土基座上。和铅衬里，垂直放在露天的混凝土基座上。（4 4）金属容器）金属容器 金属容器的主要优点有：可以放入堆址金属容器的主要优点有：可以放入堆址的贮存水池内，也可以用于冷却前后的运的贮存水池内，也可以用于冷却前后的运输，这样可以避免额外的装载和搬移。输，这样可以避免额外的装载和搬移。德国的金属容器由球墨铸铁制造的。德国的金属容器由球墨铸铁制造的。3 3、乏燃料元件贮存（冷却）的作用：、乏燃料元件贮存（冷却）的作用：（1 1）为了降低乏燃料元件的放射性活度
27、水平。）为了降低乏燃料元件的放射性活度水平。（2 2）减少易裂变材料的损失。）减少易裂变材料的损失。（3 3）使具有强放射性的）使具有强放射性的237237U U衰变掉，需要一衰变掉，需要一定的放置时间。定的放置时间。乏燃料元件冷却时间的选择主要从其自乏燃料元件冷却时间的选择主要从其自身考虑。如果要求有影响的某核素衰变掉，身考虑。如果要求有影响的某核素衰变掉，通常需要的放置时间应大于其通常需要的放置时间应大于其1010倍的半衰倍的半衰期。期。对生产堆乏燃料元件一般要求冷却对生产堆乏燃料元件一般要求冷却180180天，对压水堆乏燃料元件一般设计冷却时天，对压水堆乏燃料元件一般设计冷却时间为间为2 23 3年。年。
