注册核安全工程师考前培训课件综合第五章4567节

1、综合知识,第五章,核燃料循环设施,2,内,容,第一节,铀矿地质勘探,第二节,铀矿开采,第三节,铀的提取和精制,第四节,铀化合物的转化,第五节,铀浓缩,第六节,燃料组（元）件制造,第七节,乏燃料及其后处理,3,内,容,核燃料循环：核燃料所经历的包括燃料提取和加,工、核能利用和乏燃料后处理等一系列步骤,核燃料循环,前段,铀矿勘探、开采与冶炼、铀转化、铀同位素富集,铀浓缩）、燃料元件制造,核燃料循环,后段,乏燃料后处理、回收铀再富集、铀,钚再制成燃料,回收铀,输电网,铀矿勘探,铀矿勘探、开采,精制（纯化,铀浓缩,铀转化,浓缩六氟化铀,天然六氟化铀,贫化铀,反应堆,废物处理和处置,乏燃料后处理,钚,乏

2、燃料,燃料元件制造,发电机,新燃料组件,水冶,5,第四节,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,形态、价态,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。（铀矿水冶精制、元件加工,UO,2,粉末制,备、乏燃料后处理尾端都有铀转化过程,本节仅讲述由天然铀精制的铀氧化物制成,UF,4,再,转成,UF,6,及其还原的过程,6,7,一、铀转化的主要过程及其工艺特点（续,干法气,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，伴随发热,在含,HF,F,2,等

3、强腐蚀性的气体中进行（设备用耐,腐蚀材料制备,8,二、四氟化铀的生产,UF,4,制备金属铀和,UF,6,的原料。制备金属铀（金属,品位）和生产,UF,级联品位）。前者的质量要,求比后者高,1,UF,4,制备有湿法与干法,方法比较,湿法：溶解,UO,2,加入氢氟酸，生成的沉淀经过,滤、干燥和煅烧，得无水,UF,4,有纯化作用，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,UO,2,反应,得,UF,4,铀回收率高、废液量很少、工艺简化、成,本低，但对原料要求严，流程适应性差，无水,HF,过剩量较大，对杂质的纯化差,9,二、四氟化铀的生产（续,2,UO,2,氢氟化工艺过程及其主

4、体设备,干法生产工艺组成：由,UO,2,原料与无水,HF,的供给系,统,UF,4,反应器系统、尾气中,HF,回收及处理、产品,处理及包装几部分,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。目前工业上常采用两极串联流化,床,10,三、六氟化铀的生产,制备,UF,6,UF,6,是唯一的一种既稳定（气、液、固三态的变化,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,UF,6,用核纯级的,UF,4,在高温下与,F,2,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,U

5、F,6,生产：由氟化,UF,6,冷凝收集、氟气回收和尾,气处理四部分组成,11,三、六氟化铀的生产（续,制备,UF,6,反应器（由,UF,4,氟化,火焰炉反应器,UF,4,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,UF,4,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,氟气剩于量大和灰渣率多,12,三、六氟化铀的生产（续,立式氟化炉：兼容火焰炉和

6、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。我国是,采用立式氟化炉制备,UF,6,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,13,三、六氟化铀的生产（续,UF,产品的收集,氟化后混合气中,UF,含量,30%-90,其余为,F,2,HF,N,2,O,2,等不凝性气体,收集,UF,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

7、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,14,三、六氟化铀的生产（续,液化过程：将含,UF,6,的混合气体压缩至,151.7 kPa,以上且导入冷凝器（水冷却,UF,6,即被液化,此传热效率比冷凝成固态,UF,6,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,15,三、六氟化铀的生产,续,UF,6,装运容器,由于受临界质量的限制，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,钢瓶中的,UF,6,在常温下则为固态。需要使用,UF,6,时,将其加热到

8、三相点温度,64.1,以上,UF,6,变,成气态用作供料,16,三、六氟化铀的生产（续,氟气回收,由氟化反应器排出的气体中含,20%-40% F,2,须设气,体净化并循环利用系统,一部分补加,F,2,再循环到氟化反应器中；其余导往二次,反应系统（氟气净化系统）与过量的,UF,4,反应，生成,中间氟化物和,UF,6,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进一步收集,UF,6,尾气送吸收系统处理,17,三、六氟化铀的生产,续,尾气处理,从第二级冷凝器排出的不凝气体中，残留有,UF,6,F,2,和少量,HF,等有害气体，排放前处理，以回收铀,并防止铀和氟对环境的污染,固体化学

9、阱法,用活性,Al,2,O,3,CaSO,4,NaF,活性,碳和碱石灰等捕集,UF,4,吸收法,用,UF,4,来吸收,F,2,碱液洗涤法,用碱液,KOH,或,K,2,CO,3,溶液）洗涤第,二级冷凝器排出的尾气,18,三、六氟化铀的生产,续,3,由再循环铀生产,UF,6,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,99,Tc,和,106,Ru,和超铀元素（钚、镎等,另有,232,U,和,236,U,232,U,衰变子体积累使其,剂量率随时间而显,著增加，须增设屏蔽,236,U,是一种中子吸收剂，用,循环铀再富集时需要额外的分离功,再循环铀的转化

10、：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,19,四、六氟化铀还原,六氟化铀最终加工成,UO,2,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,UF,4,再用,Ca,或,Mg,还原成金属,六氟化铀还原成,UF,4,方法,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,四氯化碳还原法,控制温度,150,度以上，且,CCl,4,过剩（小批,量且高富集度,氨还原法,与,NH,3,反应生成中间产物,NH,4,UF,5,再在惰性气,氛中分解得,UF,4,20,第五节,铀浓缩,一、铀浓

11、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，轻水堆需用铀,235,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,铀浓缩任务：将天然,UF,6,生产浓缩,UF,6,21,一、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,

12、kgSWU,或,tSWU,为单位,22,二、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。生产方法,1,气体扩散法,原理：基于两种不同分子量的气体,UF,6,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,UF,6,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,23,二、浓缩铀生产的基本原理（续,1,气体扩散法（续,

13、扩散分离级的主要组成部分,分离器,圆筒形，内装几千支膜管（直径几厘米,长约,1,1.5m,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,热交换器,UF,6,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,气体扩散法,轻馏分,低压,扩散膜,中压,高压,热交换器,压缩机,供料,重馏分,1,2,3,25,二、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

14、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,26,二、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,27,二、浓缩铀生产的基本原理,续,2,气

15、体离心法（续,气体离心法的优点,比能耗低，约为气体扩散法的,4,10,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。气体扩散法需,要近千级的级联，相差两个数量级,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；离心机厂需并,联、串联几万台甚至几十万台离心机；实际应用,的关键在于离心机造价低、运行寿命长,28,二、浓缩铀生产的基本原理,续,3,激光法,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,处于开发阶段，基本原理：利用同位素质

16、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,29,三、浓缩铀生产的工艺流程,1,级联,级联的组成单位是分离级；分离级间,串联,组合级,联。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有关,30,三、浓缩铀生

17、产的工艺流程（续,2,工艺流程概述,原料,UF,6,经加热以气态供入级联分离，当,235,U,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,UF,6,装入,冷冻状态下的贫料容器，固态化后送贫料场暂存,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：供电供水、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,31,三、浓缩铀生产的工艺流程（续,3,铀浓缩工厂的基本特点,工作介质为六氟化铀,化学性质活泼，腐蚀性强,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

18、真空密封。若遭破坏，空气,中水份与六氟化铀作用后会形成雾状物,长期运行的,安全性与可靠性,级联装置一旦启动,要求寿期内连续运行。要求可靠的供电,32,第六节,燃料元（组）件制造,一、核燃料组件简述,核燃料组件是核电厂的发热源,PWR,核燃料组件：由封装了易裂变材料的核燃料元件,棒按一定规律排列组成。主要由上下管座、格架、控,制棒导向管和燃料元件棒组成,核燃料的能量高度集中。一座,1GW,的,PWR,核电机组每,年补充新燃料约,24tLEU,在堆内使用,3,5a,燃料组,件在堆内处于强中子场中，经受高温、高压、高流速,冷却剂的冲刷，同时承受裂变产物化学作用和复杂的,机械载荷，工作条件十分苛刻，要

19、求有高度的可靠性,和安全性,33,一、核燃料组件简述（续,燃料组件设计应考虑的,技术要求,燃料芯块和包壳的温度绝不允许超过其熔点，且,留有安全裕度,包壳应有足够的机械强度和刚度，最大容许应变,量不超过,1,包壳的最大腐蚀深度应低于壁厚的,10,包壳内的气体压力应与外部压力值相近,包壳的吸氢量低，因过量氢能使锆合金包壳脆化,破损,34,二、制造工艺,UO,2,粉末、芯块、棒、组件,化工转化制备,UO,2,粉末（包括干法湿法,干法湿法比较,重铀酸铵,ADU,工艺,原料既可是,UF,6,也可是,UO,2,NO,3,2,可,回收废料，缺点是流程长，产生大量废水，产品组成复杂，粉,末再现性不好，氟含量高

20、等,一体化干法,IDR,工艺,将,UF,6,送入回转炉反应器，入口处与,部分水蒸汽形成,UO,2,F,2,再与,H,2,和蒸汽逆流反应生成,UO,2,粉末,工序短，产量大，废液量极少，转化在一台设备内完成，生产,可连续化、自动化,UO,2,粉末压制烧结性能好，尾气中的,HF,易,回收等优点；缺点是粉末流动性差，需要制粒工序，不能处理,UO,2,NO,3,2,来料,35,二、核燃料组件的制造工艺（续,UF,6,制备,UO,2,粉末的,湿法工艺,过程,UF,6,气化,水解生成,UO,2,F,2,沉淀,用过量氨水沉淀成多种铀酸盐,ADU,控制,条件,T,pH,浓度、反应时间,过滤和洗涤,ADU,除氟

21、,干燥,使,ADU,含水降到,10,以下,分解、还原和脱氟,在回转炉内,ADU,煅烧分解,用氢还原成,UO,2,粉末，用水蒸气除氟,ADU,沉淀条件和分解、还原工艺参数是制备适宜性,能,UO,2,粉末的关键,36,二、核燃料组件的制造工艺,续,UO,2,芯块制备,先合批匀化，再制粒、压块、破碎和筛分，按规,定粒度配比，使粉末有好的流动性,芯块压制，生坯在旋转压机或多冲头压机上等压,压制,芯块烧结，采用连续烧结炉，把生坯放在钼舟中,再将钼舟连续送入有还原气氛,氢气,的烧结炉中烧,结（温度,1700,芯块磨削，保证外形尺寸和表面光洁度，再经清,洗干燥、外观完整性检查,37,二、核燃料组件的制造工艺

22、（续,3,燃料元件棒制备,主要工序：锆合金管准备、下端塞焊接、装入芯,块、弹簧和隔热块、上端塞焊接、充氦和堵孔焊,接,锆合金管入厂复验，用电子束或钨极保护气体,TIG,焊接端塞，再在,150oC,下经,1,2h,烘干。芯块装管,采用机械化自动装管工艺，也可手工装管,焊接质量采用超声检测和,X,光透射检测,组装好的元件棒要经过芯块间隔检查和同位素丰,度检查,38,39,二、核燃料组件的制造工艺（续,组件零部件制造,元件棒端塞、上下管座、定位格架和控制棒导向管,等的制造,上下管座由低钴不诱钢制成。座面上导向管的位置,公差要求严格。用精密程控加工,定位格架的弹簧和条带采用双金属格架，加工工艺,有条带

23、冲制、弹簧成型和焊接（用接触电阻焊将弹,簧与格架条带焊接，组装成型后再用钎焊或激光焊,接方法将条带焊接在一起组成格架,40,二、核燃料组件的制造工艺（续,组件组装,压水堆燃料组件全长,4,5m,重量,550,670kg,是,大型而又精密的高技术产品,组件的组装包括骨架组装和拉棒或推棒。先把格架,和控制棒导向管点焊组成组件骨架，再将燃料棒拉,或推）入骨架。要注意防止棒被划伤,组装的最后工序是将上下管座与装好燃料棒的骨架,用导向管连接起来,41,第七节,乏燃料及其后处理,一、乏燃料的特性,乏燃料”定义：在核反应堆内使用（辐照）达到计,划的卸料比燃耗后，自反应堆内卸出且不再在该堆中,使用的核燃料。乏

24、燃料中有大量裂变产物、次锕系元,素、剩余的铀和新生成的易裂变物质,裂变产物有,36,种元素，其原子序号自,30,锌）至,65,铽），质量数从,72,至,161,核素有二三百种之多,裂变产物少部分是稳定的，大多具有强,放射性，但,相当多的核素半衰期极短，而产额较大而半衰期又适,中（或更长）且对乏燃料随后的工艺具有重要意义的,有,3,H,85,Kr,129,131,I,133,Xe,以上为气态）和,90,Sr,95,Zr,95,Nb,99,Tc,103,106,Ru,137,Cs,144,Ce,147,Pm,151,Sm,等,42,一、乏燃料的特性（续,锕系产物由铀同位素中子俘获反应（有时伴随衰,

25、变）而生成，最重要的是钚的各种同位素，尤以,239,Pu,为主，其他产物有镎、镅、锔等（又称“次,锕系元素”）。各核素的产额随其电荷数和质量,数的增加而减少。大多具有半衰期较长的,放射,性，而且伴有一定的中子发射率,乏燃料本身会发出各种极强的,射线和中子,并由,此伴随,放出热量,此外，还具有生物毒性,43,二、乏燃料贮存,目的：使短半衰期放射性核素衰变（“冷却”），并带走其,衰变热,1,显著降低其放射性水平。刚停堆时放射性比活度极高，贮,存初期放射性衰减很快，但经,5a,冷却后衰减就大为变慢。这,对随后的运输及后处理有重要意义,2,确保转换成易裂变物质。某些可转换的核素吸收中子后生,成的中间产

26、物须有足够的衰变时间才能完全转化为易裂变物,质,3,让某些放射性很强的铀同位素衰变。为使,237,U,衰减到与天然,铀相当的放射性水平，一般需冷却,160,180d,贮存时间除上述考虑外，还要兼顾贮存装置的容量、乏燃料,积存对燃料循环经济性的影响以及适宜后处理的时机。轻水,堆乏燃料在反应堆现场至少贮存一年才被运出,44,二、乏燃料贮存（续,按贮存设施的所在地分为：“在堆贮存”指在反,应堆现场；“离堆贮存”指将乏燃料运输到远离,反应堆的地方（通常是后处理厂厂址）集中贮存,绝大部分贮存方式采用“湿式”，即将乏燃料存,放于水池内的格架上。池水既可起放射性屏蔽隔,离作用，又可带走乏燃料的热量。须配备池

27、水处,理系统和热交换系统；贮存时间可长达,20,30a,还开发了“干式”贮存，包括干井、金属或混凝,土容器、土圆仓、地窖等，贮存时间可更长,50,100a,45,二、乏燃料贮存（续,乏燃料湿式贮存的,安全性,水池结构的完整性。应保证在现场发生地震时仍能,结构完好；卸料水池底部要有良好的吸震性能，以,免万一发生容器坠落，水池的不锈钢覆面仍不破损,确保乏燃料处于次临界状态。尽可能使乏燃料排列,紧密，但要注意核临界安全。往池水中加入可溶性,中子毒物和,或采用含有中子毒物的材料制成的贮存,格架，都可使乏燃料贮存更加密集化。此外，还应,考虑贮存乏燃料组件的格架在地震时发生位移和倾,倒时对临界安全影响,4

28、6,三、乏燃料运输,1,运输容器,容器是乏燃料运输安全的关键装备，必须有足够,的机械强度。圆柱型容器由带底的开口圆筒、内,腔篮筐和顶盖及,O,型密封圈等组成。圆筒上附设有,吊耳。运输过程中，容器的两端联有防冲撞的减,震器（内用木块吸震,圆筒和顶盖内设有能阻挡各种射线（特别是,放射,性）的屏蔽层（材料为铅或锻钢，少数选用球铁,或贫铀）。装运大于,20GWd/tU,燃料的容器，还须,设中子吸收层（水或有机树酯材料）。容器内腔,装有金属篮筐。乏燃料组件在篮筐内的排列要紧,密又确保临界安全,47,三、乏燃料运输（续,1,运输容器（续,容器设计中，各层材料之间要有良好的导热；某,些容器外壳上焊有金属翅片

29、。湿式容器内部充的,水也是传热介质,对冷却期长乏燃料，已开发出金属或混凝土制成,既能用于运输又可用来贮存的双用途容器,容器的设计、制造和检验均有非常严格的规范和,标准，且实行许可证制度。研制时要做水密封,贯穿、自由跌落和高温下火烧等试验,运输容器的容量应尽可能大，又因有屏蔽层厚,容器很重。大型轻水堆核电站乏燃料容器已达,120t,级，可容,20,多个组件,48,三、乏燃料运输（续,2,运输方式,1,公路运输具有“门到门”的优点，适于运距不太,长和抵、离铁路车站或水路码头接驳时采用，但,对沿途的干扰大而且效率低、成本高,2,铁路运输适于中长距离，对沿途的影响较小，费,用适中，但货包的起运点和终点

30、常无铁路通达,此时还须汽车接驳,3,水路运输适于中长运距，成本低而效率高，须采,用特制的船舶,运输涉及重大安全和保卫问题，须由培训过的专,业人员实施。运输过程要保证有最大的安全性,并有事故应急预案。世界乏燃料运输业务虽然繁,忙，但未发生过一次放射性泄漏事故,49,四、后处理的意义和特点,1,核燃料循环的模式,后处理,将反应堆中烧“乏”的燃料通过化工后处理过程将,残留的和新生成的燃料提取出来，经加工后再制成元件，重,新返回堆中使用，构成完整核燃料循环，也称“闭路循环,一次通过,让乏燃料先暂时贮存，然后将其直接处置，不再,经后处理。核燃料仅在反应堆中使用一次，又称“开路循,环,等着瞧,即当前先将乏

31、燃料长期贮存着，等待时机成熟时再,做出抉择。一种权宜之计，而且将当代人的职责留存给后代,人去负担,PWR,乏燃料直接在,CANDU,堆中利用，将压水堆的乏燃料经简,单的高温氧化挥发处理，再将粉末状的二氧化铀烧结成芯块,制成,CANDU,堆燃料。国内进行等效天然铀的使用，节省天然,铀资源,50,四、后处理的意义和特点（续,2,后处理的意义,后处理”的定义：对反应堆中用过的乏燃料进行,处理，以除去裂变产物和次锕系产物并回收易裂变,材料和可转换材料的过程,目的和任务是：回收和净化乏燃料中残剩的和新,产生的易裂变材料,回收和净化未发生核反应的,可转换材料；提取有用的放射性同位素和某些贵,金属材料；便于

32、更安全地处理和处置放射性废物,51,四、后处理的意义和特点,续,2,后处理的意义（续,后处理可充分利用核燃料资源,以,PWR,为例，如,果燃料“一次通过”，铀资源利用仅,0.37,如果,后处理并再循环一次，可省,25,天然铀；如果发展,快增殖堆，则铀资源的利用率可高达,60,70,后处理有利于核废物的长期安全管理,乏燃料中,某些裂变产物和次錒系产物有很长的半衰期，因,而对环保特别重要。通过后处理将其作为副产品,分离，并经嬗变使之转化为便于近地表处置的中,短寿命放射性核素，或转化成可利用的燃料，消,除人们对发展核电的疑虑,52,四、后处理的意义和特点,续,3,后处理的特点,1,产品回收率很高,后

33、处理产品贵重，也不允许对环境有显著排放,产品的总回收率大于,99,每一步操作的回收率,大于,99.9,2,产品纯度极高,放射性的裂变产物的去除,其原则是从后处理,得到的铀产品要像天然铀一样进行直接操作，钚,产品也只在具有薄屏蔽层的工作箱内加工,用“去污系数”表征对裂变产物的去除程度。工厂,的总去污系数往往高达,10,6,10,8,53,四、后处理的意义和特点,续,3,后处理的特点（续,铀、钚产品的分离,对铀、钚两种产品的互相分离,要求，用分离系数,指两种物质在分离前原料中,含量的比值与分离后产品中含量的比值之比）来表,征，一般在,10,4,10,6,量级。要求铀中去钚的分离系,数较高；而钚中去

34、铀的分离系数则稍低,化学杂质的去除,裂变产物中还存在其他稳定同位,素杂质和某些中子吸收截面很大的毒物，而产品必,须达到核级纯度。对化学杂质的含量一般都在,10,6,数量级；而所有杂质的中子吸收截面最多只能相当,于含,10,B,量,8ppm,的中子吸收截面,54,四、后处理的意义和特点,续,3,远距离操作与控制,后处理工厂的工艺设备与管道等均须置于屏蔽层后,面，而采用远距离操作和控制的方式，部分设备还,采用远距离维修。这种远距离方式带来复杂技术问,题，并由此大增工厂投资,4,十分严格的安全要求,后处理物料有：强放射性、化学毒性、腐蚀性和易,燃、易爆性，后处理工厂有一般化工厂的密闭、通,风、防腐、

35、防火、防爆等要求。工厂更有特殊安全,要求。厂房及其内部的区域必须按照辐射的性质和,强弱施行分区布置，以保人流、物流和风向均有合,理走向；凡有易裂变物质存在且可能达到核临界状,态而造成事故的场合均需严加防范（实务讲,55,五、后处理工艺过程简介,依据后处理工艺是否涉及水介质，分为,湿法,水,法）和,干法,两大类。水法曾用的沉淀法和离子交,换法已经淘汰，以溶剂萃取法所替代。干法中又,可分为高温冶金法、高温化学法和氟化挥发法三,种,干法的优点是强辐照条件对其影响不大，但存在,许多工程性技术难题，仅由实验室研究进展到中,试验证阶段,当今工业规模应用的全部是以,溶剂萃取法,为核心,的水法工艺,包括,首端

36、过程、溶剂萃取过程,尾端过程,56,五、后处理工艺过程简介,1,首端过程,将乏燃料制备成可供溶剂萃取分离用的合格料液,的全过程,1,机械剪切,LWR,燃料元件的包壳和组件的格架使用锆合金或不,锈钢材料，难溶；又，若将其溶解，会使高放废,液中含盐量大增，减少浓缩倍数。因此，将整个,燃料组件剪切成长约,5cm,的元件段，暴露出两端燃,料芯体。元件段经溜槽和分配器落入溶解器吊篮,此系统技术复杂，造价高昂，须布置在大型屏蔽,热室中，采用远距离操作和维修方式，还要解决,粉末回收、防止锆屑自燃及气溶胶处理等问题,57,工艺过程简介（续,2,化学溶解,往溶解器中加入硝酸，在稍低于沸点温度下，硝酸,与二氧化铀

37、芯体发生反应使其溶解（浸取）。溶解,结束提出吊篮，稀酸漂洗并仪器检测残余燃料量,损失率,0.1,对,生产堆,天然铀金属燃料，先用,NaOH,溶液溶去包,壳，漂洗后再用,HNO,3,溶芯；对以铝（或镁）合金,作包壳、以铝（或镁）与富集铀金属弥散体为芯体,的研究堆燃料，用硝酸一次性溶解,溶解过程可分批或（半）连续地进行,应考虑溶解器为几何安全或几何良好的圆柱状,对形状和尺寸有限制,58,工艺过程简介（续,3,料液预处理,溶解产品液预先处理。首先经过过滤或靠离心的,作用使料液澄清，以除去其中细的不溶性颗粒,主要是剪切过程产生的包壳粉末和未完全溶解,及化学上极难溶解的组分,澄清所得料液加入化学试剂调节

38、铀浓度、酸度和,镎、钚的化学价态。溶解以后，铀处于最易被萃,取的,价；而钚须靠,NaNO,2,稳定在易被萃取的,价,有时为改善对某些裂变产物（如钌）的去污，也,用试剂处理,制备成合格的溶剂萃取料液,59,工艺过程简介（续,2,溶剂萃取过程,在后处理工艺中应用得最普遍也最为成功的是以,30,磷酸三丁酯,TBP,为萃取剂、以硝酸为盐析,剂的普雷克斯,PUREX,为“钚、铀还原萃取”的,英文词头缩写）流程,一些使用其他萃取剂的流程（如：用甲基异丁基酮,的,REDOX,流程；用二丁基卡必醇的,BUTEX,流程等,都早已废弃,60,五、后处理工艺过程简介（续,2,溶剂萃取过程（续,1,萃取分离基础,用与

39、水基本不互溶的有机溶剂从水相中选择性地,提取某种物质，使之与其余杂质分离的过程称为,溶剂萃取法,有机溶剂的特点：选择性高；与水基本不互,溶；化学稳定性和辐照稳定性好；与水相有,一定的密度差，而粘度较低；价格低且可回收,毒性小，着火点高,TBP,符合，但粘度较大，使用时要以烷烃（如煤油,作稀释剂，通常配制成,30,体积比）的浓度,61,五、后处理工艺过程简介（续,2,溶剂萃取过程（续,易被,TBP,萃取的只有,UO,2,NO,3,2,和,Pu(NO,3,4,而,价,钚和绝大部分裂变产物及其他超铀元素（如镎,镅、锔等）均难被萃取,分配比,D,定义：在达到萃取平衡以后，某元素,或离子在有机相中的浓度

40、与其在水相中的浓度之,比。利用或改变溶剂萃取过程中影响,D,的因素，控,制各种金属离子的,D,值来实现回收或分离,价的金属离子易被去除，而高价或有,变价的金属离子则较为困难。如,95,Zr,95,Nb,和,106,Ru,106,Rh,是“麻烦制造者”；而对长冷却期高,燃耗燃料，重视,99,Tc,和,237,Np,的去除,62,五、后处理工艺过程简介（续,2,溶剂萃取过程（续,2,普雷克斯型工艺流程,经历一个萃取、洗涤和反萃取的过程称为一个溶剂,萃取循环。典型的普雷克斯流程对每种产品而言须,经历三个循环；后来已缩减为二个循环,典型的普雷克斯工艺流程示意图,63,典型的普雷克斯工艺流程示意图,铀,钚第二纯化循环,1A,1B,1C,2D,2E,3D,3E,2A,2B,3A,3B,首端,来料,U,Pu,U,Pu,UO,2,NO,3,2,溶液,Pu(NO,3,4,溶液,铀,钚第三纯化循环