核反应堆工程002

1、7、铀矿的勘探与开采 勘探：对矿床全面工业评价，查资源，定储量 矿床指标：矿石品位，矿床储量 勘探方法：放射性测量，如利用航空总计数测量、航空能谱测量及车载步行放射性测量圈定放射性异常区。 地球物理方法和遥感技术也受到重视。含铀量矿石等级0.3%富矿0.10.3%中矿0.050.1% 贫矿第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环铀储量矿床等级5000t大型1500t中型1001000t小型第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环 铀资源分类（IAEA）BAR：可确保资源（可靠铀资源）EAR：预计可回收资源（估算的附加铀资源）世界铀储量：739万吨（BAR+EAR） 海水

2、：亿吨。成本高：1940美元/吨，只日本进行了中试，生产了7.5kg。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环 开采方法 地下坑道开采法：对于离地面较深的脉型矿床采用。其工艺复杂，成本高。 露天开采法：对于离地面较浅的沉积型大型矿床采用。剥离表土和覆盖岩石后，用大型机械开采，劳动条件好，回采率高，成本低。 化学开采法：包括地浸和堆浸，其优点是不必进行挖掘开采和矿石加工，节约生产费用，可以开采不值得挖掘的低品位矿，只有很少的放射性被带到地面，减少矿工在地下工作的风险，但这种方法对地质条件要求严格，铀的浸出率和回收率低，最多只能达到50，并可能对地下水造成污染。 目前大多数采用地下开采

3、法，少数使用露天开采法。开采出的矿石一般先经过物理选矿，筛选掉相当一部分废石，以提高待处理的矿石品位，减少铀矿石加工和精制的工作量。 目前采用的铀矿石的物理矿方法有放射性选矿、选择性磨矿选矿、浮游选矿、重力选矿和电磁选矿等。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环8、铀矿石的加工和精制8.1铀矿石预处理第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环铀矿石预处理破碎：初碎、中碎、细碎焙烧：提高有用成分的溶解度和降低杂质的溶解度，以利于后续的浸出处理；改善矿石的物理性质，以利于后续的磨矿处理和浸出后的液固分离。方法：氧化焙烧、加盐焙烧和改善物理特性的焙烧。磨矿：研磨成一定粒度的原

4、料。8.2铀矿石的浸出第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环水冶：由于铀矿石的加工过程多采用湿法化学处理，称为铀的 水法冶金(又称湿法冶金) 。浸出（浸取，固液萃取）：是一种固液接触的操作过程，用固体中的一些有用成分易于溶解在一些液体中，而将其提取到液体中，进行后续的加工。铀矿石浸出的主要目的：是把铀从矿石转入溶液，浸出处理矿石的液体称为浸出剂或浸取剂，完成浸出过程后的浸出剂叫做浸出液或浸取掖。浸出率：浸出后转入浸出液中的铀量与浸出前矿石中总铀量的 百分比。由于浸出剂有选择性溶解作用，矿石中有的杂质元素不被浸出或难被浸出，所以浸出过程也是铀与杂质元素的初步分离过程。铀矿石的浸出是

5、铀水冶的第一步。 浸出方法 主要采用酸法和碱法 酸浸出剂：硫酸（硝酸、盐酸成本高等，较少使用） 步骤：需加入氧化剂如氯酸钠(NaCLO3)，每吨矿石用量为1.36kg，将矿石中的铀氧化成6价。采用掖固比(浸出液与矿石的质量之比)为0.61.2。在40一80下浸出38h，铀的浸出率为85一97。发 生的化学反应为第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环 对含碳酸盐较多的矿物，常用碱法浸出。碱法浸出过程可选用的浸出剂有碳酸钠(Na2CO3)、碳醋氢钠(NaHC03)和碳酸铵(NH4)2CO3。这些试剂对设备材料的腐蚀性都不大，但碳酸铵价格较贵且易分解，故一般不采用。 工业上选用碳酸钠或

6、碳酸钠与碳酸氢钠的混合溶液作浸出剂。 以碳酸钠与碳酸氢钠的混合液作为浸出剂发生的化学反应为第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环8.4铀的浓缩与纯化 铀矿石浸出得到的浸出液中，铀的浓度仍然很低，每升溶液仅含铀几百毫克至1-2g，溶液中含有大量杂质，包括高中子吸收截面的元素，如硼(B)、镉(cd)、稀土(RE)、氯(Cl)等，以及可形成挥发性氟化物的元素，如钼(Mo)、钨(w)、铬(cr)、钒(v)等，因此必须从这种浓度低、含有大量杂质的浸出液中，对铀进行提取和浓缩，制备较纯的铀化合物，然后再进一步纯化去陈杂质，得到核纯的铀化合物。 方法：化学沉淀法、离子交换法、溶剂萃取法 对铀浓

7、度低的清液或矿浆，用离子交换法为好。 对铀浓度高的清液，用溶剂萃取法更为合适。萃取法已成为当前许多铀水冶厂、特别是新建的铀水冶厂提取和浓缩铀的主要方法。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环 离子交换法 离子交换法是一种基本的化学分离过程。 许多无机化合物在水溶液中以阳、阴离子的形式存在。有些固体材料上的离子容易与水溶液中的离子进行交换，这些固体材料叫做离子交换树脂，可以进行阳离子交换的树脂叫阳离子交换树脂，可以进行阴离子交换的树脂叫阴离子交换树脂。离子交换树脂与水溶液的离子进行交换的过程叫做离子交换。水溶液中有的离子容易进行交换，有的不容易进行交换，这样就可以实现分离。进入树脂

8、的溶液叫吸附液。交换上去的离子被树脂吸附，然后再用适当的试剂把它从树脂上洗脱下来进行回收，这个过程收做淋洗。 使铀浸出液通过离子交换树脂，铀容易被吸附上去，而杂质不容易被吸附，再用比较少量的淋洗浓将铀淋洗下来，从而实现了铀的浓缩和初步纯化，这就是用离子交换法提取铀。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环 用离子交换法提取铀一般用阴离子交换树脂，因为不论是用酸法浸出还是用碱法浸出，都可以在浸出液中形成铀的阴离子，但作为杂质的金属不易形成阴离子，因而可以通过阴离子交换选择性地吸附铀。用于铀水冶厂的典型阴离子交换树脂是强碱性的季铵型树脂。 20世纪40年代，人们升始研究用离子交换法提取

9、和浓缩铀。1952年以后，许多铀水冶厂采用离子交换法处理蚀浸出液，这是由于离子交换池的选择性好，能得到纯度较高的铀浓缩液，离子交换树脂可以循环使用，试剂消耗量较小，并能从矿浆中提取铀。但是离子交换法存在着生产速度侵，树脂对铀的吸附容量小，不便连续操作等缺点。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环 8.5溶剂萃取法 溶剂萃取又叫作液-液萃取，简称萃取。它是使不互溶或基本上不互溶的两个液相互相接触，利用各组分在两该相间不同的分配关系，使组分从一浓相传入另一液相，从而实现组分间分离的过程。 需要进行分离处理的液相称为原料液或料液，另一个液相称为溶剂。经过两相充分接触后，原料液中的溶质分

10、配在两相中达到平衡，这种极限情况叫做一个理论级。而后使两相分离开来，料液成为萃余液，溶剂成为萃取液。一般情况下，料掖是水溶液，称为水相，溶剂是有机物，称有机相。纯的溶剂叫萃取剂，萃取后的溶剂叫萃取液。 在通过萃取实现了组分的分离后，为了回收进入萃取剂中的组分，需要用与萃取剂不互溶的另一液相与其接触，使组分进入该液相，这个过程叫作反萃取，简称反萃。进行反萃的另一液相就叫反萃液。有时在反萃前还要用纯水或酸、碱、盐的水溶液对萃取别处理一下，这个过程叫做洗涤。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环 8.6 铀的精制与转化 从铀水冶厂得到的铀化学浓缩物，一般为重铀酸盐或三碳酸铀酰盐。这些浓

11、缩物在纯度和化学形态上都不能满足应用要求，因而需要进一步精制(纯化)，精制主要用溶剂萃取法进一步去除杂质，制成核纯的铀化合物，并通过沉淀制成铀氧化物(二氧化铀、八氧化三铀、三氧化铀)。为了进行铀的同位素分离，需进行铀的转化，即将铀的氧化物转化成四氟化铀、六氟化铀，也可转化成金属铀进行其他的应用。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环 铀的精制方法：采用干法和湿法。 干法为美国阿贡国立实验室开发的无水氟化物挥发法，即将铀浓缩物直接氟化，然后再将得到的六氟化铀进行纯化，就可得到核纯产品。 一般都采用经典的湿法处理，包括化学沉淀法、离子交换法和溶剂萃取法等。 目前多采用溶剂萃取法。萃取

12、法的优点是选择性好，回收率高，设备简单且容易实现连续化生产和自动化。可使用的萃取剂有二乙醚，甲基异丁酮和磷酸三丁酯(TBP)。 将铀化学浓缩物用钢筒由水冶厂运抵转化厂，先把铀的化学浓缩物溶解于硝酸中，经过滤后，用磷酸三丁酯进行萃取分离，再用1的硝酸溶液或蒸馏水反萃得到高纯度、高浓度的硝酸铀酰溶液，硝酸铀酰浓度一般为100一300g/L，硝酸浓度为0.05mol/L左右。 将硝酸钢酰通过加热脱硝转化为中间产物三氧化铀，分为两步进行。先将硝酸铀酰溶液加热蒸发结晶，冷却至室温，得到黄色晶体硝酸铀酰六水合物UO2(NO3)262O，然后将硝酸铀酰水合物加热至300热解脱硝生成三氧化铀第二章：核燃料与核

13、燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环 实际的反应过程相当复杂，在温度较低时，生成一系列中间化合物，在温度较高时，这些中间化合物进一步转化为六氟化铀。工程上采用分段氟化的方法。 把氟化反应器分为低温区和高温区，四氟化铀首先在低温区(250 以下)生成中间氟化物，然后把中间氟化物送入高温区，进一步转化为六氟化铀。 高温区温度的选择以设备材料不受腐蚀和物料不发生烧结为准。 氟化反应设备主要有流化床反应器、火焰反应炉和螺旋搅拌反应器。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环 四氟化铀制备金

14、属铀的方法：用高纯的金属镁或钙进行还原。 镁还原法比钙还原法用得更多。反应在还原反应器(反应弹)中进行，还原反应器具有钢制外壳，内部用高纯耐火材料氟化钙或氟化镁作衬里。将四氟化铀粉末和钙屑或镁屑均匀混合后装入反应弹。用钙还原时在弹内加热或点火，用镁还原需把反应弹放人电炉中加热，使物料温度达到600一700。反应一旦开始就迅速自发进行，在很短的时间内即可完成。此时弹内温度超过铀的熔点，达到1600以上。熔化的金属铀聚集在反应弹的底部，氟化钙或氟化镁形成熔渣浮在金属表面。冷却后洗去熔渣，再用酸洗和喷砂清理表面得到粗铀锭。粗铀锭可直接应用，也可在真空感应炉中进一步纯化后再使用。钙热还原的规模可以根据

15、需要从几公斤、几十公斤、几百公斤直到上吨级。直径0.3一0.4m，高1m的反应弹，每次可制备约100kg的粗铀锭。大型反应弹的生产能为可达1t以上。在通常情况下，反应弹可反复使用150次。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环 用离子交换法提取铀一般用阴离子交换树脂，因为不论是用酸法浸出还是用碱法浸出，都可以在浸出液中形成铀的阴离子，但作为杂质的金属不易形成阴离子，因而可以通过阴离子交换选择性地吸附铀。用于铀水冶厂的典型阴离子交换树脂是强碱性的季铵型树脂。 20世纪40年代，人们升始研究用离子交换法提取和浓缩铀。1952年以后，许多铀水冶厂采用离子交换法处理蚀浸出液，这是由于离子

16、交换池的选择性好，能得到纯度较高的铀浓缩液，离子交换树脂可以循环使用，试剂消耗量较小，并能从矿浆中提取铀。但是离子交换法存在着生产速度侵，树脂对铀的吸附容量小，不便连续操作等缺点。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环 8.5溶剂萃取法 溶剂萃取又叫作液-液萃取，简称萃取。它是使不互溶或基本上不互溶的两个液相互相接触，利用各组分在两该相间不同的分配关系，使组分从一浓相传入另一液相，从而实现组分间分离的过程。 需要进行分离处理的液相称为原料液或料液，另一个液相称为溶剂。经过两相充分接触后，原料液中的溶质分配在两相中达到平衡，这种极限情况叫做一个理论级。而后使两相分离开来，料液成为萃

17、余液，溶剂成为萃取液。一般情况下，料掖是水溶液，称为水相，溶剂是有机物，称有机相。纯的溶剂叫萃取剂，萃取后的溶剂叫萃取液。 在通过萃取实现了组分的分离后，为了回收进入萃取剂中的组分，需要用与萃取剂不互溶的另一液相与其接触，使组分进入该液相，这个过程叫作反萃取，简称反萃。进行反萃的另一液相就叫反萃液。有时在反萃前还要用纯水或酸、碱、盐的水溶液对萃取别处理一下，这个过程叫做洗涤。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环 铀的精制方法：采用干法和湿法。 干法为美国阿贡国立实验室开发的无水氟化物挥发法，即将铀浓缩物直接氟化，然后再将得到的六氟化铀进行纯化，就可得到核纯产品。 一般都采用经典的湿法处理，包括化学沉淀法、离子交换法和溶剂萃取法等。 目前多采用溶剂萃取法。萃取法的优点是选择性好，回收率高，设备简单且容易实现连续化生产和自动化。可使用的萃取剂有二乙醚，甲基异丁酮和磷酸三丁酯(TBP)。 将铀化学浓缩物用钢筒由水冶厂运抵转化厂，先把铀的化学浓缩物溶解于硝酸中，经过滤后，用磷酸三丁酯进行萃取分离，再用1的硝酸溶液或蒸馏水反萃得到高纯度、高浓度的硝酸铀酰溶液，硝酸铀酰浓度一般为100一300g/L，硝酸浓度为0.05mol/L左右。 将硝酸钢酰通过加热脱硝转化为中间产物三氧化铀，分为两步进行。先将硝酸铀酰溶液加热蒸发结晶，冷却至室温，得到黄色晶体硝酸铀酰六水合物UO2(