核废物处理技术第一章B201202

第一章总论核废物的来源与现状CompanyLogo第一章总论核废物治理的几个现代理念核废物处理处置基本原则与要求核废物的分类与特性核废物的来源与现状核废物管理概述CompanyLogo第一章总论民用核燃料循环军用核燃料循环核技术应用核设施退役天然存在的放射性物质放射性废物来源放射性废物现状CompanyLogo二放射性废物来源1、民用核燃料循环各种核活动所产生的核废物，以核燃料循环过程为主，尤其是核燃料后处理过程。核燃料循环:燃料的获得、使用、处理、回收利用的全过程。CompanyLogo二放射性废物来源1、民用核燃料循环以核电生产为中心的核燃料循环包括三大部分：核燃料循环前段：铀矿开采、水冶、铀精制、纯化、氟化、铀浓缩和核燃料元件制造。反应堆运行过程：包括核燃料在堆中辐照和乏燃料的就地临时储存。核燃料循环后段：包括乏燃料运输、后处理、核废物处理与处置等，其中乏燃料后处理所获得的Pu和U，被再制成核燃料元件（混合U、Pu氧化物燃料,MOX）而进行再循环。CompanyLogo二放射性废物来源1、民用核燃料循环核燃料前端核燃料后端CompanyLogo一核废物管理概述核燃料的前端产品六氟化铀黄饼矿石冶炼转化浓缩芯块烧结组装组件CompanyLogo二放射性废物来源1、民用核燃料循环核燃料循环前段流程图采矿和水冶精制转换富集燃料元件制造反应堆运行金属铀黄饼天然UO2UF4UO2/UO3UF6低浓铀或高浓铀燃料组件铀矿勘探CompanyLogo二放射性废物来源1、民用核燃料循环铀矿地质勘探铀是核工业最基本的原料。铀在地壳中平均含量约为2.7x10-4%，总量约45亿吨；铀的存在相当分散，被称为“分散元素”由于铀的化学性质活泼，所以不存在天然的纯元素。铀矿物和含铀矿物有170种以上，其中只有25-30种铀矿物有开采价值世界铀储量最多的国家是澳大利亚、加拿大和哈萨克斯坦（60%）海水中也含有铀，平均浓度为3.3μg/L，海水提铀尚在开发研究。CompanyLogo二放射性废物来源1、民用核燃料循环铀矿地质勘探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。勘探方法一般采用放射性测量，即利用航空总计数测量测定放射性异常区。遥感合成图CompanyLogo二放射性废物来源1、民用核燃料循环矿石品位：富矿石：铀含量为0.3%以上；中等矿石：铀含量为0.1%-0.3%，贫矿石：铀含量为0.05%-0.1%。矿床储量：大型矿床：铀储量5000t以上的铀矿床；中型矿床：铀储量1500t左右；小型矿床：铀储量100-1000t，铀矿点：铀储量小于100t。评价铀矿床的两个主要指标：矿石品位和矿床储量。CompanyLogo二放射性废物来源浸出铀矿开采铀矿开采与矿冶铀矿开采从铀矿中提取、浓缩、纯化精制天然铀产品提铀铀含量0.1%~0.2%形态矿石矿浆粉末核纯铀40%~70%陶瓷等75%CompanyLogo二放射性废物来源1、民用核燃料循环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。铀矿开采方法主要有三种方法：露天开采地下开采原地浸出采铀露天铀矿场铀矿开采CompanyLogo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浸出方式地浸insituleaching直接在矿中浸出溶液的方式堆浸heapleaching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先将矿石原地爆破破碎后浸出的方式搅拌浸出（池浸）将矿石运至水冶厂，在专用搅拌浸出池中进行的方式矿石浸出堆浸池浸矿石黄饼二放射性废物来源CompanyLogo浸出液酸法：硫酸碱法：碳酸钠、碳酸氨、碳酸氢钠等细菌浸出法：将矿石中的硫化物变成硫酸浸出时间：3~10h,几十小时不等浸出率：85%~97%(搅拌浸出),5%~15%(堆浸)浸出的矿浆经固液分离得到含铀的清液或稀矿浆矿石浸出池浸二放射性废物来源CompanyLogo目的将浸出液中的铀与杂质分离使铀得到部分浓缩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原料含铀矿浆产品铀化学浓缩物(黄饼)重铀酸钠重铀酸氨含铀量40%~70%仍含大量杂质黄饼yellowcake铀的提取和沉淀产出铀的提取和沉淀产出二放射性废物来源CompanyLogo二放射性废物来源•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(acidleaching/ionexchange)处理方法，磁选分离•产品：U308product湖南衡阳铀水冶厂浸出-矿浆浓密池矿石准备-磨矿CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环铀矿开采和铀矿石水冶主要废物：废石废气废水一座l000MW的核电厂,每年约需要160t天然铀,若铀矿平均开采品位按0.2%计,则每年将产生：约10000m3开采废石30000~50000m3水冶尾矿CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环铀矿开采-废石采矿产生的废石：露天开采1t铀矿石产生4～6t，地下采掘产生0.5～1.2t；选矿产生的废石：放选法废石率为15%～30%废石中的放射性：含铀量：（1～3）×10-4g/g，比正常土壤天然本底高4～10倍；表面γ辐照剂量率：（77～200）×10-8Gy/h，高3～15倍；表面氡析出率：（7～200）×10-2Bq/（m2·s），高5～70倍。CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环铀矿开采-废水露天开采废水：矿体渗流水、凿岩作业水、雨淋水等；地下采矿废水：矿体涌水、矿脉裂隙水、凿岩作业水、地表渗透水等铀矿石堆废水：雨淋水、喷雾洒水等；废石场废水：雨淋水和流水冲刷水、浸渍产生的废水；冲洗车辆水：开采1t铀矿石产生0.5～5t废水；铀浓度0.2～5mg/L，比正常本底高4～100倍。处理方法：①石灰石中和沉淀法除铀；②离子交换法除铀；③软锰矿吸附法除镭；④重晶石吸附法除镭等。CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环铀矿开采-废气氡及氡子体；放射性气溶胶；铀尘措施：除尘降氡（建立良好通风系统，采取湿式作业）；氡的照射是人受天然辐射照射最重要的来源。氡及其短寿命子体对人体产生内照剂量的主要途径是吸入并沉积在呼吸道内，由它发射的α粒子对气管支气管上皮基底细胞产生很大的照射剂量。CompanyLogo一核废物管理概述2、民用核燃料循环铀矿水冶：固体废物：尾矿中残留了占原矿6%左右的铀（占水冶废物放射性的近70％）,95%的镭；尾砂和矿泥量约相当于处理的矿石量，处理1吨铀矿石产生1.0-1.2吨尾矿；其放射性活度较普通岩石、土壤高数倍至数十倍。尾矿会向大气中释放氡气；尾矿成为有害低放废物和化学有害物质(含酸、碱)。CompanyLogo一核废物管理概述2、民用核燃料循环在铀水冶过程中：液体废物：主要来自工艺废水离子交换过程产生的贫铀溶液；萃取后的萃余水相；化学沉淀过程的溶液母液；设备冲洗水、洗涤水；实验室废水、洗衣水、淋浴水等；CompanyLogo一核废物管理概述2、民用核燃料循环铀水冶过程：液体废物特点：低放废液量因所采用的工艺流程不同而异，一般为处理矿石量的1∼5倍。放射性浓度低，主要含有铀238、镭226；含有悬浮固体和化学有害物质，其危害可能超过放射性；处理方法：石灰乳中和法；离子交换法；吸附法；CompanyLogo一核废物管理概述2、民用核燃料循环在铀水冶过程中：气体废物：工艺过程中排放的废气；工艺场所的排风；尾矿库释放出来的气体；气体废物：铀尘、氡、气溶胶；处理方法：加强通风、除尘和降氡措施；采用局部通风和全面换气相结合的通风方式；合理组织气流，防止污染空气倒流；必要时增加净化措施；CompanyLogo二放射性废物来源CompanyLogo二放射性废物来源CompanyLogo二放射性废物来源铀的精制目的精制盐过程，生成核纯度的铀转化成易于氢氟化的铀氧化物精制方式离子交换法溶液萃取法分布结晶法原料铀化学浓缩物(重铀酸钠、重铀酸氨)产品铀氧化物(U3O8、UO2等)、四氟化铀（UF4）等煅烧制取U3O8或UO2陶瓷CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环铀精制废物：废液：•萃取水相；•有机废液：废TBP，TBP降解产物；•冲洗去污水、实验室废水等气体废物；固体废物；废物特点：含有天然放射性核素（主要是铀）；放射性水平低；数量不大；CompanyLogo二放射性废物来源铀转换conversion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(UF6)的全部物理－化学过程六氟化铀黄饼有高的热稳定性和挥发性；CompanyLogo铀转化：从铀水冶厂来的U3O8原料，从后处理厂来的硝酸铀酰溶液或三碳酸铀酰铵原料。第一步：用氢气还原六价铀U3O8＋2H2＝3UO2＋2H2O第二步：把UO2氢氟化为四氟化铀UF4第三步：用氟气把UF4氟化为六氟化铀UF6二放射性废物来源2、民用核燃料循环24242UOHFUFHO426UFFUF伊朗伊斯法罕的铀转化工厂CompanyLogo二放射性废物来源铀转换conversion铀转化工厂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CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环铀转化的废物主要是固体CaF2，此外还有含CaF2、Ca(OH)2和少量铀的泥浆废物，CaF2含铀量很低，但体积较大，经审管部门批准可作一般工业废物处理。CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环铀的浓缩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。铀同位素分离扩散机群铀同位素离心级联CompanyLogo二放射性废物来源铀浓缩铀－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--同位素分离天然铀（0.7%U235）低浓缩铀（3~5%U235）CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环铀的浓缩原理：具备工业价值的分离方法：气体扩散法、气体离心法空气动力学法。正在研究的激光法和化学交换法具有良好的工业应用前景。利用因质量不同而引起的效应，如速度效应、离心力效应和电磁效应来使同位素分离。CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环气体扩散分离法原理图气体扩散法的原理：由于质量不同，其速度不同。较轻的分子的平均速度较高，通过扩散膜时，碰撞的机会比较多，从而可以实现一定程度的分离。CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环中国60年代建成的气体扩散厂CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环离心机原理示意图利用强离心力场作用实现轻、重同位素的分离。在高速旋转的离心机中，较轻的分子在靠近轴线处浓集。CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环空气动力学法又称喷嘴分离法，其原理是在压力差的作用下，使用大量的氦气或氢气稀释的六氟化铀气体通过处于高度真空中的喷嘴的狭缝而膨胀，在膨胀过程中离心加速到超声速的气流顺着喷嘴沟的曲面壁弯转，较轻的分子远离壁而浓集。CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环三种方法的经济性比较CompanyLogo二放射性废物来源2、民用核燃料循环铀浓缩生产的废物只产生少量废物，工艺是物理过程，没有化学操作；废气：主要含有铀气溶胶