第三章--核燃料加工、处理与放射性物质

1第三章核燃料加工、处理与放射性物质运输核燃料循环：核燃料所经历的包括燃料加工、核能利用和燃料后处理等一系列步骤。前段：铀矿勘探、矿石开采与冶炼、铀同位素富集（铀浓缩）、燃料元件制造后段：乏燃料后处理、铀再富集、铀/钚再制成燃料本节将铀转化、铀浓缩、燃料元件制造和乏燃料贮存、运输及后处理统称为核燃料加工、处理。简介其工艺及共性问题（核临界安全控制，辐射防护，事故应急，实物保护，放射性物质运输的安全准则与管理要求）。2第一节铀化合物的转化一、铀转化的主要过程及其工艺特点铀化合物的转化（简称“铀转化”）过程是核原料生产工艺的一部分，是联系各个环节的纽带。本节仅讲述由天然铀精制的铀氧化物制成UF4，再转成UF6，及其还原的过程。3第一节铀化合物的转化一、铀转化的主要过程及其工艺特点（续）大多为气-固相反应，工艺特点：固体的反应性（活性）很重要。固体颗粒的形貌及结构与原料有关。体系处于瞬变状态。有较高（≥95％）的转化率。在较高的温度下进行，伴发热。在含HF、F2等强腐蚀性的气体中进行。4第一节铀化合物的转化二、四氟化铀的生产1．湿法与干法的比较湿法：溶解UO2，加入氢氟酸，生成的沉淀经过滤、干燥和煅烧，得无水UF4。有纯化，但工序多，废液多，成本高。干法：高温下用气态无水氟化氢（HF）与UO2反应得UF4。铀回收率高、废液量很少、工艺简化、成本低，但流程适应性差，对原料要求严，无水HF过剩量较大，对杂质的纯化差。5第一节铀化合物的转化二、四氟化铀的生产（续）2．UO2氢氟化工艺过程及其主体设备干法生产工艺由UO2原料与无水HF的供给、UF4反应器系统、尾气中HF回收及处理，产品处理及包装几部分组成，通常还有预还原或铀盐分解-还原工序。UF4：用于制备金属铀（金属品位）和生产UF６（级联品位）。前者的质量要求比后者高，核心是UO2的氢氟化，设备主要有卧式搅拌床、流化床和移动床三类。流化床反应器气-固相接触好，能强化反应，反应速率快，传热与传质效率高，温度均匀，设备生产强度大而且简单。6第一节铀化合物的转化三、六氟化铀的生产UF6是唯一的一种既稳定又具高度挥发性的铀化合物，被用于铀同位素富集工厂的供料。生产UF6用核纯级的UF4在高温下与F2发生作用。氟化要使用过量的氟气，而且过量的氟气须再循环。UF6生产过程主要由氟化、UF6冷凝收集、氟气回收和尾气处理四部分组成。7第一节铀化合物的转化三、六氟化铀的生产（续）⑴UF4氟化反应器火焰炉反应器：UF4细粉末分散在350-537℃的氟气中发生燃烧，反应在火焰中进行。设备紧凑，生产强度大，但对UF4粉末的纯度、粒度及其分散装置要求严，炉体腐蚀重，残渣量多，氟气过剩量大。流化床反应器：反应器内的固体颗粒能迅速混合，全床层处于等温状态，易控制温度，传热与传质优良。床料烧结少。对原料的适应性强，易操作调节，但设备尺寸大，生产强度低，且氟气剩量和灰渣率多。8第一节铀化合物的转化三、六氟化铀的生产（续）⑴UF4氟化反应器（续）立式氟化炉：兼容火焰炉和流化床的优点，有良好的气-固相接触，一定程度逆流，氟气过剩量小；灰渣率极低；生产强度小于火焰炉，但比流化床高；设备简单，工作温度低，对原料中的Na、K含量要求不严。卧式搅拌炉：完全的气-固相逆流接触，氟气耗量接近化学计算量。但设备传热性不好，只适合在较低温度下氟化，产率低，容易发生中间氟化物烧结，操作困难。9第一节铀化合物的转化三、六氟化铀的生产（续）⑵UF６产品的收集从成品混合气中分离出UF６，再将其转装于专用容器中。混合气中UF６含量30%-90%，其余为F2、HF、N2、O2等不凝性气体。收集UF６有凝华和液化两种过程。凝华过程：由气态经冷却直接转变为固态的过程。冷凝器内设有档板或翅片。按冷却剂（如乙二醇水溶液）带走热量的方式，分内冷式和外冷式。常用两级串联间歇操作。冷凝器出口处设高效滤网。10第一节铀化合物的转化三、六氟化铀的生产（续）⑵UF6产品的收集（续）液化过程：将含UF6的混合气体压缩至151.7kPa以上且导入水冷却的冷凝器，UF6即被液化。此传热效率比冷凝成固态UF6时要大得多，缺点是压缩的压力高，且一次回收率低，须加一级冷冻冷凝。为使产品极度均匀，在UF6凝华后可加热使其以气态转移至另一冷却器中再液化；或在凝华冷凝器卸料时，将固体UF6加热到90-100℃（压力为202.6-405.2kPa）直接液化。11第一节铀化合物的转化三、六氟化铀的生产（续）⑵UF6产品的收集（续）UF6装运容器：富集度超过3%用内径5英寸的钢瓶；天然铀和贫化铀用内径为30英寸和48英寸的钢瓶。以液态形式装瓶，最大装填量依据150℃时液体UF6的密度来确定，钢瓶中的UF6在常温下则为固态。需要使用UF6时，将其加热到三相点温度（64.1℃）以上，钢瓶内的压力会升高到大气压以上，UF6变成气态逸出。12第一节铀化合物的转化三、六氟化铀的生产（续）⑶氟气回收由氟化反应器排出的气体中含20%-40%F2，须气体净化并循环利用：一部分补加F2再循环到氟化反应器中；其余导往二次反应系统与过量的UF4反应，生成中间氟化物和UF4。所得固体返回氟化反应器作为供料，气体则经过滤后送入二级冷凝器。13第一节铀化合物的转化三、六氟化铀的生产（续）⑷尾气处理从第二级冷凝器排出的不凝气体中，残留有UF6、F2和少量HF等有害气体，排放前须处理，以回收铀并防止铀和氟对环境的污染。固体化学阱法—用活性Al2O3、CaSO4、NaF（沸石型固体）、活性碳和碱石灰等捕集。UF4吸收法—用UF4来吸收F2。碱液洗涤法—用碱液（KOH或K2CO3溶液）洗涤第二级冷凝器排出的尾气。14第一节铀化合物的转化三、六氟化铀的生产（续）3．由再循环铀生产UF6⑴再循环铀的特点：又称后处理铀（REU），放射性活度比天然铀大得多，含少量放射性裂变产物（如99Tc和106Ru）和超铀元素（钚、镎等）；另有232U和236U。232U衰变子体积累使其γ剂量率随时间而显著增加，须增设屏蔽。⑵再循环铀的转化：化学转化过程无区别，但需考虑厂房与设备的屏蔽和气密性问题；对富集铀应注意核临界安全。转化过程可对产品实现净化。15第一节铀化合物的转化四、六氟化铀还原六氟化铀最终加工成UO2或金属铀。前者可直接用于反应堆的燃料芯体制造；后者则先要将其转化成UF4，再用Ca或Mg还原成金属。⑴氢气还原法—目前应用最广，产品的堆密度大、生产能力大而且操作特性好。⑵四氯化碳还原法—控制温度且CCl4过剩。⑶氨还原法—与NH3反应生成NH4UF5，再在惰性气氛中分解得UF4。16第二节铀浓缩一、铀浓缩的基本概念1．铀浓缩的必要性和重要性铀-235是唯一天然存在的易裂变核素，在天然铀中丰度为0.711%；铀-238占99%以上。在热堆中，除少数重水堆、石墨气冷堆用天然铀外，轻水堆需用丰度约为2—5%低浓缩铀燃料；一些研究试验堆和快堆要用富集度更高的燃料；高通量的材料试验堆则需要90%以上的高浓铀。铀浓缩指用人工方法使铀-235丰度增加的过程。17第二节铀浓缩一、铀浓缩的基本概念（续）2．分离功的基本概念和定义浓缩铀的度量单位。把一定量的铀富集到一定的铀-235丰度所需要投入的工作量叫做分离功（SWU），以kgSWU或tSWU为单位。18第二节铀浓缩二、浓缩铀生产的基本原理铀-235和铀-238的化学性质相同而仅在质量上有微小差别。1．气体扩散法原理：基于两种不同分子量的气体UF6混合物在热运动平衡时，两种分子具有相同的平均动能而速度不同。较轻分子的平均速度大，与容器壁或多孔隔膜的碰撞次数（几率）相对重分子多。隔膜含有容许分子通过的无数微孔。两种组分就以不同的速度通过多孔膜（又称扩散膜或分离膜）而扩散。当UF6气体通过扩散分离时，在过膜的低压侧铀-235有微小加浓，在不过膜的高压侧铀-235被贫化。19第二节铀浓缩二、浓缩铀生产的基本原理（续）1．气体扩散法（续）扩散分离级的主要组成部分：①分离器—圆筒形，内装几千支膜管（直径几厘米，长约1—1.5m）。②压缩机—往分离器连续供料并提供为维持扩散膜两侧压差所需的压头。③热交换器—UF6气体被压缩后，温度升高，用热交换器带走热量，使温度保持恒定。（见图3－1扩散分离级原理图）20第二节铀浓缩二、浓缩铀生产的基本原理（续）1．气体扩散法（续）分离系数-分离效果的量度，分离级前后所需同位素（铀-235）的相对丰度比。-理论分离系数1.0043；实际分离系数为1.002。-由于单级的分离效果极小，为得3%的低浓铀产品，需把一千多级扩散级串联起来组成级联。-由于必须把气体不断地重新压缩，使它通过扩散膜，要消耗大量的电能。21第二节铀浓缩二、浓缩铀生产的基本原理（续）2．气体离心法在高速旋转的离心机中，由于离心力场的作用，较重的分子靠近外周富集，较轻的分子靠近轴线富集。从外周和中心分别引出气体流，可得略为贫化和略为富集的两股流分。为提高分离效应，可用加热或机械方法驱动转子内旋转的气体，造成一个轴向流动的逆向环流。离心机（见图3－2）的能力取决于转筒的转速和长度。转速越高，分离能力越大。用高比强度材料（如高强铝合金、马氏体时效钢、玻璃纤维和碳纤维复合材料）提高转速；或发展超临界离心机，增加转子的长度。22第二节铀浓缩二、浓缩铀生产的基本原理（续）2．气体离心法（续）气体离心法的优点①比能耗低，约为气体扩散法的4—10％。②单机浓缩系数（分离系数与1之差）大。离心机在0.2，而气体扩散法仅为0.002。为得3%的低浓铀，气体离心法只需要十几级的级联。③技术发展潜力大，单机分离能力可不断提高，分离功成本大降。实用时，在各级中并联很多单机；需装几万台甚至几十万台离心机；关键在于离心机造价低、运行长寿。23第二节铀浓缩二、浓缩铀生产的基本原理（续）3．激光法处于开发阶段，基本原理：利用同位素质量差所引起的激发能差别，根据不同同位素原子（或由其组成的分子）在吸收光谱上的微小差别（称为同位素位移），用线宽极窄即单色性极好的激光，选择性地将某一种原子（或分子）激发到特定的激发态，再用物理或化学方法使之与未激发的原子（或分子）相分离。优点是分离系数大，一次分离即可获得高浓缩铀，但技术难度大，离工业应用较远。原子激光法（AVLIS）最成熟。24第二节铀浓缩三、浓缩铀生产的工艺流程1．级联分离级：级联的组成单位；级联：分离级间串联的组合。分离级可是一个分离单元，也可是并联的数个分离单元。工厂中，每一级的精料作为下一级的供料，同时每一级的贫料返到上一个较低丰度的级再参与分离，形成与不断浓缩的精料流反向流动的贫料流，称为逆流型级联。级联的最少分离级数与分离系数α有关。25第二节铀浓缩三、浓缩铀生产的工艺流程（续）2．工艺流程概述原料UF6经加热以气态供入级联分离，当235U被浓缩到所需丰度时，装入冷冻状态下的产品容器，再液化均质，取样合格后入成品库；贫料UF6装入冷冻状态下的贫料容器，固化后送贫料场暂存。主工艺系统：级联、供取料、产品液化倒料、物料贮存运输、沾污容器和设备清洗、废液处理、设备检修等。公用系统：供电、水、水处理、冷冻水、汽、压空、液氮、空调、通讯与报警、实物保护、防火等。26第二节铀浓缩三、浓缩铀生产的工艺流程（续）3．铀浓缩工厂的基本特点⑴工作介质为六氟化铀，化学性质活泼，腐蚀性强。⑵工艺系统的高度密封性和清洁度—主工艺回路负压下工作，须保持其真空密封。若遭破坏，空气中水份与六氟化铀作用后会形成固体粉末。⑶长期运行的安全性与可靠性—级联装置一旦启动，要求连续运行，要求可靠的供电。27第二节铀浓缩四、铀浓缩生产的核安全问题主要污染物：铀及其氟化物。UF6化学性质活泼，可与水和有机物反应，有较强化学毒性，对人体的呼吸系统和粘膜有较强的刺激和腐蚀作用；还有辐射危害。现场污染控制；放射性流出物控制；区域监测；职业照射控制。防止核临界。防止UF6泄漏。28第三节燃料元（组）件制造一、核燃料组件简述核电厂的发