核动力工程与辐射科学(上6)

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1、核动力工程与辐射科学（上）匡波bkuang@sjtu.edu.cn上海交通大学核科学与工程学院2012年第六章核燃料循环NuclearFuelCycle第六章核燃料循环6.1核燃料循环体系6.2核燃料循环前端6.3堆内燃料循环6.4核燃料循环后端核工业是一个十分庞大的系统工程，其组成体系包括：铀矿勘探、铀矿开采、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。核工业体系6.1核燃料循环体系NuclearFuelCycle前端后端NuclearFuelCycle核燃料

2、循环概念的产生是基于反应堆运行的下述两个特点：核燃料在反应堆中不是一次就完全“燃烧”耗尽的（在热堆中，燃耗通常为1.53%；在快堆中燃耗可达10%）；反应堆运行中产生次级易裂变核素（反应堆的中子作用于可转换核素238U、232Th，分别产生易裂变核素239Pu、233U)。载于堆内的燃料必须保持（或大于）临界质量，为在一定运行周期内发出额定功率，堆内需留有超过临界质量的易裂变燃料，使反应堆内具有后备反应性。当达到一定燃耗深度，由于燃料消耗以及运行期间产生并积累的毒化效应，待后备反应性接近消失时，虽然燃料中尚有相当数量易裂变材料，也得将其从堆内卸出并换料。换出的

3、乏燃料中含有大量易裂变与可转换核素，需对乏燃料进行化学处理，提取、回收易裂变与可转换核素，去除裂变产物，重新制成可用的燃料元件返回堆内复用。从而形成核燃料循环体系的重要组成部分（后端）。对经堆内中子辐照过的铀燃料的这种化学处理，常称为核燃料后处理（NuclearFuelReprocessing），或称核燃料放化后处理。以区别于核燃料进入反应堆前从铀矿石中提取铀的化学处理过程（即前处理）。由于乏燃料放射性活度强，裂变产物不断衰变产热，故曾称为热铀处理(HotUraniumProcessing)，或辐照铀处理(IrradiatedUraniumProcessing)

4、，现习惯称为乏燃料后处理（SpentFuelReprocessing）。核燃料循环体系铀矿石开采和冶炼铀转化铀同位素浓缩核燃料元件制造核电厂（反应堆）乏燃料后处理废物处理前端后端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：核燃料获得、使用、处理、回收利用的全过程。核燃料循环通常分成两大部分，即前端与后端：前端包括铀矿开采、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。6.2核燃料循环前端

5、铀矿地质勘探铀矿石开采、选冶与铀化合物的转化铀的浓缩UraniumEnrichment核燃料元件制造FuelFabrication核燃料的“诞生”六氟化铀黄饼矿石冶炼转化浓缩芯块烧结组装组件铀矿地质勘探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规律指导普查勘探，探明地下铀矿资源。铀资源的分布特点：铀主要集中分布于地壳中，往地幔、地核分布显著减少。铀并不稀少，在地壳中平均含量为2.510-4%，即每吨岩石中含有2.5g铀，比砷、钨、钼、锑、汞、银、碘

6、、铋、金等元素的平均含量还要高；但是，铀的分布极其分散，这是铀资源分布的一个显著特点。地壳中的铀，以铀矿物、类质同象（形成含铀矿物）和吸附状态形式存在。铀的化学性质活泼，易与其他元素化合，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。铀在自然界中主要以+4价与+6价两种价态化合物形式存在：4价铀的离子特征类似于钍等稀土元素，故常与这些元素共生；6价铀多以铀酰离子【(UO2)2+】形式存在，可与多种络阴离子形成铀酰络合物，或被层状构造矿物所吸附。铀矿床是铀矿物的

7、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。中国已发现的59种铀矿物中，工业上重要的有：含+4价铀的晶质铀矿（含沥青铀矿）、铀石、钛铀矿等；含+6价铀的硅钙铀矿、钒钙铀矿、钙铀云母、铜铀云母、钾钒铀矿等。世界铀资源勘定储量：5Mt；推测储量：25Mt；包括海水中的铀：25Gt；世界上重要的铀矿资源国家：澳大利亚44%哈萨克斯坦20%加拿大18%南非8%美国、独联体、刚果、尼日利亚等。我国的东北、西北、西南及中南地区都蕴藏有铀矿世界铀资源分布加拿大哈萨克斯坦澳大利亚南非美国价格世