核燃料化学工艺学资料

1、核燃料化学工艺学第一章1、 裂变、聚变、可转换材料定义和种类裂变材料：含有易裂变核素，放在反应堆内能使自持核裂变链式反应得以实现的材料 钍233，铀235，钚239、钚241聚变材料： 氢2、氢3可转换材料：俘获中子后能直接或间接地转变为易裂变核素的核素。钍232，铀234、铀238，钚240 2、 核燃料循环的主要过程采矿冶炼转化浓缩转化元件反应堆后处理核燃料循环过程包括：铀（钍）资源开发、矿石加工冶炼、铀同位素分离和燃料加工制造，燃料在反应堆中使用，乏燃料后处理和核废物处理、处置等三大部分。核燃料循环前端：铀的提取、铀的纯化与转化、铀同位素浓缩、核燃料元件制造核燃料循环使用端：反应堆燃烧核

2、燃料循环后端：核燃料后处理、核废物处理处置3、 铀循环原理及示意图核燃料循环按核燃料性质可分为铀系燃料的铀-钚循环方式和钍系燃料的钍-铀循环方式。铀-钚循环方式：包括热中子堆铀-钚循环和快中子增殖堆铀-钚循。热中子堆铀-钚循环原理： 以235U作为易裂变燃料、以238U作为转换原料、生成239Pu的燃料循环，称为铀-钚循环。热中子堆铀-钚循环通常以低富集铀（3-5%）为燃料。 快中子增殖堆铀-钚循环原理： 快堆以239Pu为燃料，并装载占天然铀99%以上的238U，在堆中238U转化成为239Pu的量大于烧掉的239Pu的量，并通过后处理把钚分离出来，作为快堆燃料的循环使用。钍循环示意图原理：

3、以235U（或233U）作为易裂变燃料、以232Th作为转换原料、生成233U的燃料循环，称为钍-铀循环。在热中子堆中把232Th转化为另外一种核燃料233U，通过后处理把233U分离出来返回堆中循环使用。示意图第二章1、裂变、聚变原理核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化。只有一些质量非常大的原子核像铀、钍等，这些原子核在吸收一个中子后分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量。，又能使别的原子核接着发生核裂变，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量

4、更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。链式反应的控制：控制链式反应就是靠低Z材料（如石墨、重水、钠、硼砂等）来吸收中子，使核反应保持临界状态或者次临界状态的。一般的核反应堆应该使用的是石墨棒，通过提升和放下该石墨棒组来控制链式反应。2、235U的裂变及其链式反应235U+n236U144Ba+89Kr+3n上诉反应所产生的中子，至少有一个用于诱发新的裂变反应，则裂变反应将以链式反应方式进行，称为裂变链式反应。3、 中子截面（散射、吸收、俘获）中子散射截面：描述微观粒子散射概率的一种物理量。吸收截面：一个中子通过单位面积的靶核后,被吸收掉的概率。俘获截面：元素的一个原子核对中子发

5、生俘获反应的几率。总截面=裂变截面+俘获截面+n当激发能比较低时，发射中子的反应截面很小：吸收截面=裂变截面+俘获截面4、 反应堆的结构、组成、类型组成：堆芯，是反应堆的核心部分，又称为活性区。它由燃料元件、慢化剂（或称中子减速剂）和冷却剂组成。中子反射层，防止堆芯中子泄漏。控制系统，确保反应堆安全。屏蔽层，保护运行人员的安全。辐射监测系统，保证人员安全，避免环境污染。类型：1、按用途分：生产堆、研究试验堆（零功率堆、工程研究堆、微形中子源反应堆）、动力堆（轻水反应堆包括：压水反应堆、废水反应堆；重水反应堆；石墨慢化反应堆包括：水冷堆、气冷堆、高温气冷堆；快中子增值堆）2、按燃料布置类型：均匀

6、堆和非均匀堆5、四因子公式四因子公式： K= ··p·f 次级中子数 快中子增值因子 p逃脱共振吸收几率 f热中子利用因子 K有效= K P P中子不泄漏几率第三章1、 铀钚的水化学特点（水解、歧化、聚合、离解）、相互价态及相互关系铀的水解：A、电离势(Z/ r )大的金属离子，具有较强的水解能力B、铀的水解能力为： U4+> UO22+ > U3+ > UO2+ C、电离势(Z/ r )大的金属离子，具有较强的水解能力。D、UO2的歧化反应：2UO2=UO22+U4Pu4+歧化反应（采取措施抑制）：PuO2+的歧化：钚的水解与聚合：水解反应式：

7、钚离子的水解趋势：Pu4+>PuO23+>Pu3+>PuO2+2、络合化学的几个基本概念（中心配体、配合物、螯合物）配位体:与中心离子结合并能提供孤电子对的离子和分子。如NH3、H2O、CO，也可以是阴离子，如CN-、F-、Cl-、SCN-。配体都有孤对电子（），如NH3、 CO等中心离子或中心原子通过配位键与配位体形成的复杂化合物，也叫配位化合物。配合物的内界：（中心原子)和(配位体）螯合物：含有一个以上配位原子的多齿配体，它与金属离子生成的环状螯合物有较大的稳定性。3、 铀钚络合的化学特点铀络合：铀络合物稳定性次序 1）金属离子Z2/r愈大，电负性愈大，与配位体形成的络合

8、物愈稳定。 U4+>UO22+>U3+>UO2+ U4+>U3+，UO22+ >UO2+，很少有例外。2） 可与多种阴离子发生络合反应，不同阴离子对UO22+的络合能力大小按下式排列：Cl-<NO3-<F-，CO32->C2O42->SO42-2） 二价阴离子的络合能力比一价阴离子强。3） 强酸弱络合，弱酸强络合钚络合：1） 任意价态的钚离子比相应价态的铀或镎离子都具有更强的络合能力。Pu4+>U4+>Np4+2） 一般趋势:Pu4+>PuO22+>Pu3+>PuO2+3） 常见的一价阴离子与Pu 4+ 形成络

9、合物能力的递减次序是：F- > NO3- > Cl-> ClO4-CO32- SO32- C2O42- SO42-4、络合能力的比较（配位体、中心离子价态、不同的中心离子）一般规律：a、不同氧化态：Pu4+>PuO22+>Pu3+>PuO2+B、不同元素：Pu4+>U4+>Np4+>Th4+C、不同配位体：CO32- >Y4- >HPO42- >C2O42- >SO42- >F - >NO3- >Cl-D、氯根和硝酸根对MO22+的络合趋势相反第四章1、 萃取的几个基本概念和计算公式（回收率、萃取（

10、余）率、净化系数、分配系数、分离系数、相比）1）溶液：有一种或一种以上的物质分散到另一种物质里，形成均一的、稳定的混合物。2）溶剂：能溶解其他物质的物质。3）TBP-煤油溶液4）相：有相同物理性质和化学性质的均一部分。5）相比：在某一萃取单元内，有机相与水相体积比。6）流比：进入某一接触设备的各物流流量之比。7）溶剂萃取（液-液萃取）：是一种从溶液中分离、富集、提取有用物质的有效方法，它利用溶质在两种不相混溶的液相之间的不同分配来达到分离和富集的目的。8）萃取剂:是一种能与被萃物作用生成一种不溶于水相而易溶于有机相的化合物，从而使被萃物从水相转入有机相的有机试剂。9）萃合物：萃取剂与被萃取物发

11、生化学反应生成的不易溶于水相而易溶于有机相的化合物（通常是一种络合物）称为萃合物。10）稀释剂:指萃取剂溶于其中构成连续有机相的溶剂。例如磺化煤油。稀释剂虽与被萃物不直接化合，但往往能影响萃取剂的性能。11）洗涤：为了提高溶剂萃取过程对杂质的去污效果，可以用一定组成的水溶液与萃取液接触，把被萃取到有机相中的杂质部分或全部反萃到水相中去，而所需要被萃取的物质仍然留在有机相中的这个过程。12)洗涤剂：能反萃萃取液中的杂质，而又基本不使所需要被萃取的物质反萃下来的水溶液.13)极性改善剂（相调节剂）为了避免萃取或反萃取时产生稳定的乳化或生成第三相，有时还要往有机相加入一些高碳醇或其他有机化合物，增加

12、萃取剂、萃取剂的盐类或萃合物的溶解度。这些有机化合物统称为极性改善剂（相调节剂）。14)水相料液:指作为萃取原料的含有待分离物质的水溶液。15）络合剂:指溶于水相且与金属离子生成各级络合物（包括螯合物）的配位体。16）盐析剂:指溶于水相既不被萃取又不与金属离子络合但能增加萃取率的无机盐。17）反萃取：萃取过程的逆过程。18）反萃取剂：能使被萃取物质离开有机相的水相溶液。19）萃取平衡：当单位时间内转入有机相的铀量和转入水相中的铀量相等时，两相的铀浓度就不再发生变化。参数：1 分配系数 ：=C0/Ca2 萃取率：经过一次或多次萃取后，某物质在萃取液中的总量与该物质在料液中总量的比值。3 回收率：

13、经过某个过程处理后，所提取出来的某物质的总量与原料中该物质总量的比值。4 分离系数：某两种元素的分离系数，指这两种元素在分离前含量的比值与分离后含量的比值的比值。5 净化系数DF：铀/钚/镎产品中对裂片元素去除的程度。2、 分馏萃取流程、示意图和工艺标识萃取流程：在萃取操作中，常根据物料液 F 与萃取剂 S 接触、传质的次数，将其分为单级萃取和多级萃取。有机相从料液中提取，同时加入洗涤剂清洗。工艺标识3、 燃料元素：锕系、碱、碱土、RE、FP萃取的差异产率较高，寿命较长，进而对后处理或三废处理过程影响较大的主要有：95Zr、95Nb、 103Ru 、99Tc 、某些碱金属(137Cs)、碱土金

14、属(90Sr)以及稀土元素(144Ce 、147Pm)等。其中碱金属与碱土金属均不为TBP所萃取。因此在共去污循环中，他们将基本上留在萃取液内而容易被除去；稀土元素的萃取分配系数也比较小，在共去污循环中，它们与铀、钚的分离也比较好。在裂片元素中，比较难除去的是锆、铌、钌、鍀，他们在水溶液中的化学行为以及TBP对它们的萃取行为都比较复杂。而后处理的TBP萃取分离通常是在硝酸水溶液中进行的。挥发性裂片元素碘、氚、氪、氙等对乏燃料的后处理，特别是对动力堆或其他高燃耗的后处理和三废处理带来了一些特殊的问题。第五章4、 铀的分布、铀矿成因和类型分布：1 地壳（2-4ppm；1.3×1014t）

15、，分布分散，提取困难2 含氧化硅较多的火成岩（花岗岩）：6ppm3 含氧化硅较少的岩石（含铝镁铁较多）：1ppm4 海水（0.002-0.003ppm；4.5×109t）5 宇宙空间（陨石）：少量铀矿成因：类型：按铀的存在形式及含量： 铀矿物/含铀矿物；按矿物的成因：原生矿物，地球形成时由岩浆形成的矿物，通常以二氧化铀，三氧化八铀的形式存在、次生矿物：原生矿物经过各种表面过程（氧化、水合、溶解、沉积），主要以六价状态存在。2、各过程的化学原理、化学反应式（氧化剂碳酸氢钠）a. 矿石预处理：配矿、破碎、选矿、焙烧和磨矿b. 铀矿石浸取：酸浸法反应：UO3+H+=UO22+H2OUO22

16、+SO42+=UO2SO4UO2SO4+SO42+=UO2（SO4）22-UO2（SO4）22-+SO42+=UO2（SO4）34-铀能以上诉任何一种或几种形式被溶解进入溶液，其量的多少与体系的酸度、温度、铀的浓度及其他配合物形成因素有关。碱法浸取试剂为碳酸钠和碳酸氢钠，他们将矿石中的铀以碳酸铀酰配阴离子形式进入溶液，反应式为：UO3+CO32+H2O=UO2(CO3)34-+2OH- c. 铀的浓缩与纯化1、 溶剂萃取法提取铀：萃取剂有磷类和胺类；工艺流程：溶剂萃取工艺（萃取-洗涤-反萃取-再生-萃取，加上从水相中回收有机相）、Amex流程（以长链的三脂肪胺为萃取剂，从硫酸浸出液中萃取铀）、

17、Dapex流程（以(2-乙基己基)磷酸二脂（D2EHPA）为萃取剂。）2、 离子交换法提取铀用于铀水冶厂的典型阴离子交换树脂为强碱性的季铵型树脂。在硫酸中的浸取3、 铀的沉淀加入氨水或氢氧化钠溶液作为沉淀剂，并控制反应介质的酸碱度。则铀按下列反应式，以重铀酸铵或重铀酸钠的形式沉淀下来：4、铀的纯化（精制）与转化第一步是把浓缩物溶解于硝酸中。第二步是用溶剂萃取法分离溶解液中的铀和其它金属杂质离子。5、 铀化合物的转化1 硝酸铀酰转化成UO32 UO3还原为UO2（UO2既可直接作反应堆燃料，也可作生产其它铀化合物的原料）还原反应： UO3 + H2 UO2 + H2O3 UO2氢氟化生产UF4（

18、UF4是制备UF6和金属铀的重要原料。）UO2 + 4HF UF4 + 2H2O4 UF4氟化生产UF6（UF6是铀同位素分离的原料） UF4+F2 UF6第六章1、 后处理的重要性及主要任务重要性A、是生产核武器装料239Pu必需的一步；B、对于充分利用核能资源关系极大；C、对核电经济性将有日益重要的影响；D、对保障核燃料工业环境安全起关键作用。主要任务：1) 提取和纯化新生成的可裂变物质；2) 回收和纯化没有用完的可裂变物质和尚未转化的转化材料； 3) 提取有用的裂变产物和超铀元素；4) 对放射性废物进行妥善处理和安全处置。2、 Purex流程各种物料标识和各种名称共去污分离循环：1A,1B,1C 实现铀钚与裂片元素的分离，以及铀钚之间的分离铀的净化循环：2D,2E 完成第一循环铀产品液的进一步净化钚的净化循环：2A,2B 完成第一循环钚产品液的进一步净化(1) 1A(共萃取共去污-萃取槽)(2) 1B(铀钚分离-萃取槽)(3) 1C(铀-反萃取槽)(4)1AF：萃取料液(1.8mol/L U)（5）1AX：有机萃取剂（30TBP煤油）（6）1AS： 洗涤剂（2 mol/L HNO3）（7）1AW：水相萃残液（8）1AP：萃取液（有机相-铀钚