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1、精选优质文档-倾情为你奉上化工原理在核化工上的应用 樊晨晨化工原理是以化学、物理和数学原理为基础，研究物料在工业规模条件下，它所发生物理或化学状态变化的工业过程及这类工业过程所用装置的设计和操作的一门技术学科。化工原理的知识在核化工中有大量的应用，下面简要介绍几种。一：化工原理在核燃料循环中的应用原理1.1 溶剂萃取分离原理及主要设备萃取指利用化合物在两种互不相溶（或微溶）的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中。经过反复多次萃取，将绝大部分的化合物提取出来的方法。洗涤：把萃取到有机相中的杂质离子部分或全部地反洗到水相中去，而所需要的金属离子仍然留在有机相中，这
2、个过程叫做洗涤。反萃取：把萃取后的萃取液与某一水相接触，有机相中的金属离子重新转移到水相中的过程。补充萃取：从有机相中选择性的反萃某物质时，有机相中其它被萃取物质也会被部分的反萃下来，把不希望被反萃的物质（如铀）重新萃取到有机相中去，这个过程叫做补充萃取，所用的有机溶剂叫做补充萃取剂。1.1.1萃取剂的要求考虑萃取能力、化学及辐照稳定性、水力学性能、安全性、经济性等。1.1.2铀水冶工艺中常用萃取剂种类 1)有机磷类萃取剂 十二烷基磷酸、二(2-乙基己基)磷酸、磷酸三丁酯2) 胺类萃取剂 三脂肪胺(N235)、四烷基氧化季铵盐(N263)萃取剂萃取性能比较萃取性能胺类磷类对铀选择性高，对杂质的
3、分离系数在103104范围内一般，D2EHPA还能同时萃取Fe3+萃取速度快较慢分配系数高较低，中性磷酸酯比酸性磷酸酯更低饱和容量较低较高，中性磷酸酯容量最高反萃取情况易于反萃取，硝酸盐、氯化物、碳酸盐等都可作为反萃取剂用10%的碳酸盐溶液或强酸溶液才能进行反萃取对酸、碱、辐射稳定性稳定一般稀释剂中的溶解度较小，需加添加剂以增大其溶解度较大进料中吸附固体含量要求较低，Fe2+ Mg2+ Ca2+ Na+NH4+ K+1.7溶剂萃取主要设备1. 7.1混合澄清槽三级箱式混合澄清槽结构示意图优点：设备高度低、结构简单，操作可靠，适应性强，如每级停留时间为2min，则级效率可达90以上，能成功地处理
4、3.71013Bq/L的料液。 缺点：溶剂降解严重，在处理高燃耗燃料时，界面污物在槽内积累难以排除，影响正常操作。1.混合澄清槽的操作经验 (1)充槽启动:有机相充槽、酸液运行、冷料过渡、投热料(2)正常运行:控制搅拌条件、流量与流比、界面和液面(3)停车：首先用冷料进行过渡，然后进行酸液置换，最后进行顶槽、排污和倒空2.运行过程中可能出现的问题及解决办法(1) 相夹带:改变搅拌强度影响(2)液泛:通常控制流量为液泛流量的7580，发生液泛，应按临时停车的操作规程停车，待各级澄清后再按正常的工艺条件启动(3)反相与转型：受两相流比(存留分数)及搅拌强度的控制。一旦出现，应加大连续相的回流量，直
5、至恢复正常。(4) 界面污物的排除：倒空洗涤清除污物和固体颗粒，或加入溶解锆的氟离子。1.7.2.脉冲萃取柱微分接触式（连续接触式）一般为塔式设备（喷淋塔、填料塔、转盘塔、振动筛板塔等）。 一液相为连续相，另一液相为分散相，分散相和连续相呈逆流流动；两相在流动过程中进行质量传递，其浓度沿塔高呈连续微分变化；两相的分离在塔的上下两端进行。优点：(1) 停留时间短，柱内存液量少，有机溶剂降解效应显著降低；(2) 有“自清洗”作用，污物和固体微粒较易于排除；(3) 容易控制临界，保证安全；(4)改变操作条件时，达到稳定平衡的时间较短，约需0.51h。缺点：(1)由于脉冲柱为细长结构，增加了设备室高度
6、；(2)与混合澄清槽相比，它的适应能力较差，因此要求操作和控制都比较严格、比较复杂。1.7.3离心萃取器 环隙式离心萃取器结构示意图优点：传质性能好，平衡速率快，级效率高达92%以上；溶剂停留时间短，减少了溶剂降解；设备紧凑，占用空间小;适应能力强，减少了界面污物及乳化的影响；可基本上解决萃取段的界面污物问题;易实现远距离自动控制，停车后倒空清洗比较容易。缺点：结构复杂，有旋转的部件，造价和维修费用高。操作参数控制比混合澄清槽和脉冲柱都要严格；离心萃取器的出口物流的夹带比重力澄清槽严重(约为0.30.1)。 因此，应在水相物流进入蒸发器前有效除去夹带有机物。1.8离子交换法离子交换剂的性能比较
7、性能阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性弱酸性强碱性弱碱性活性基团磺酸羧基季胺伯仲叔胺pH影响无酸性中小无碱性中小盐稳定性稳定洗涤时水解稳定洗涤时水解再生*3-4倍1.5-2倍3-5倍1.5-2倍交换速度快慢快慢1.离子交换树脂的选择在水或水溶液中必须是稳定且难溶；耐酸、碱、盐及氧化作用；耐辐照；具有较高的吸附(交换)容量。2.性能评价全交换容量：理论值操作容量：进出口浓度相等的交换容量穿透容量：受操作条件等控制，一般为全交换容量的60%70%。二 化工原理在铀矿浸取液中铀的提取与浓缩中的应用2.1萃取法提铀2.1. 1Amex流程 2R3N + H2SO4(R3NH)2SO4 (R3NH)2S
8、O4 + UO2(SO4)22- 2(R3NH)2SO4 + UO2(SO4)34-(R3NH)4 UO2(SO4)3 + 2SO42-(R3NH)2 UO2(SO4)2 + SO42- (R3NH)2SO4 +UO2SO4(R3NH)2 UO2(SO4)2 (1)萃取机理：(2)影响因素有机相中胺的浓度：受铀饱和度、黏度及分相等限制，一般0.1mol/L水相中铀的浓度：通常受浸取液自身限制水相pH值：受下述平衡及金属离子水解限制，通常pH值1.01.5 各种阴离子浓度(3)工艺流程美国一个水冶厂从硫酸浸出液中提取铀的实际流程2.1.2 Dapex流程(1) 萃取机理 UO22+2(HR2PO
9、4)2（有机） UO2R2PO44H2(有机)+2H+典型Dapex流程中有机相D2EHPA为0.1mol/L，水相中SO42-为0.5mol/L；D2EHPA对高价离子Th4+、V4+有较高萃取能力，选择性差；D2EHPA对Fe3+萃取能力较强，但对Fe2+萃取能力较弱；主要用于从磷酸中回收铀。(2)影响因素主要考虑铀的分配比及铁铀分离效果等水相铀浓度的影响， 0.26.0g/L水相酸度（pH值）的影响， pH在2以下有机相中D2EHPA浓度的影响有机相中加入协同萃取剂协同萃取效应的影响水相中阴离子的影响温度的影响1525。两相接触时间的影响两相接触相比的影响2.2离子交换法提取铀2.2.1
10、从硫酸浸出液或矿浆中吸附铀（1）工作原理UO22+ + SO42- UO2SO4 UO22+ + 2SO42- UO2(SO4)22- UO22+ + 3SO42- UO2(SO4)34-（2） 交换反应 2R4NX（固相）+ UO2(SO4)22- (R4N)2 UO2(SO4)2(固相)+ 2X-4R4NX(固相)+ UO2(SO4)3 4- (R4N)4 UO2(SO4)3(固相)+ 4X-（3）影响因素酸度、铀浓度、杂质离子等2.2.2从碳酸盐浸出液或矿浆中吸附铀（1） 工作原理：UO22+2CO32- UO2(CO3)22-UO22+3CO32- UO2(CO3)34-（2）交换反应
11、：2R4NX(固相)+ UO2(CO3)22- (R4N)2 UO2(CO3)2(固相)+ 2X-4R4NX(固相)+ UO2(CO3)34- (R4N)4 UO2(CO3)3(固相)+ 4X-（3）影响因素碳酸根及碳酸氢根的影响与铀酰络合阴离子发生竞争作用，产生负的影响氯离子及硝酸根的影响竞争作用更为明显，应注意尾液循环使用时的积累问题钒酸根离子的影响钒以阴离子形式存在，产生一定的影响，影响程度受pH值的控制2.3铀的解吸2.3.1被硫酸浸取液饱和的树脂淋洗(R4N)4UO2(SO4)3 + 4X- 4R4NX + UO22+ + 3SO42-R4NHSO4 + X- R4NX + HSO4
12、-(R4N)2SO4 + 2X- 2R4NX + SO42-2.3.2被碱性浸取液饱和的树脂的淋洗用NaCl+Na2CO3+NaHCO3淋洗2.3.3其它解析法中性盐类、有机溶剂、热水等解吸三 化工原理在核燃料原件制造中的应用3.1核燃料元（组）件概述3.1.1核燃料的特点（1）能量密度高、堆内辐照时间长、裂片反冲动能引起晶格的振动与损伤、高流速冷却剂的流至振动、复杂的机械载荷等；（2）高温、强烈中子辐照、压力瞬变引起的应力和应变等；（3）动态变化现象严重，包括裂变产物的积累、晶格缺陷的重组、扩散和蠕变速率的改变；因此，燃料元（组）件的设计和研制非常复杂，涉及核物理、裂变物理、固体物理、传热学
13、和质量转移理论、材料科学、化学、固体和流体力学等多门知识的综合运用。3.1.2作为核燃料的材料应满足的条件（1） 高热导率，以便在高的功率密度和比功率下不产生过高的温度梯度，保证在高的释热率下材料中心温度不至于接近其熔点；（2） 良好的辐照稳定性，不致因肿胀，开裂或蠕变而引起变形，同时其物理性能和力学性能等不会在辐照后发生很大变化；（3） 良好的化学稳定性，特别是与冷却剂不发生化学反应，如遇包壳破损，也不至产生明显的相互作用；（4） 高熔点，并在低于熔点时不发生会导致密度变化等的相变；（5） 易于加工和成本较低；（6） 低的热膨胀系数（7） 易裂变核素的原子密度高，并且不含中子吸收截面大的其他
14、原子。3.2典型动力堆核燃料原件二氧化铀陶瓷型燃料1.陶瓷燃料的优点熔点高；热稳定性和辐照稳定性好，有利于加深燃耗；有良好的化学稳定性，与包壳和冷却剂材料的相容性较好。2.二氧化铀陶瓷型燃料缺点热导率较低，芯块径向温度梯度可高达20004000/cm，芯块胀大，缩小与包壳间的间隙；有热反馈效应，造成裂变气体的释放率较大四化工原理在反应堆传热上的应用 目前,分析计算是核电站安全分析的主要手段,反应堆传热计算是其主要内容。因为对于核电站某些假想的严重事故,若用直接的实验来验证“不但需要花费很多的人力和物力,而且带有很大的危险性。核电站的许多运行瞬态和假想事故过程输与流体流动和传热密切相关。此外,反
15、应堆内几何条件的复杂性和两相流体流动与传热的特殊性;给反应堆传热计算提出了一系列独特而复杂的问题.对于水冷反应堆,核反应堆的热工设计及安全分析与两相流体的流动及传热有密切的关系。核能是未来低碳能源的核心,世界范围的发电能力需要增加将近3 503,各国用于核能发电投资持续增高.超临界水冷堆()是六种第四代新型反应堆之一,其热效率高,系统结构紧凑简单.超临界水的热物理性质在拟临界点变化奇异,和堆芯存在的复杂流道、高热负荷与强烈核热反馈等苛刻条件,易使堆芯流动传热异常.现代大型火电内螺纹传热管的应用表明,内翅片传热管可强化传热和有效抑制传热恶化.反应堆堆芯若采用内翅片通道设计可保障超临界反应堆传热安
16、全和强化堆芯传热,超临界堆芯通道传热强化可提高核电能源转化效率,节约核燃料,缩小堆尺寸.压水堆是目前世界上应用最广泛的反应堆堆型,在己建成的核电站中,压水堆占60%以上,目前世界上压水堆核电总数达250座以上。压水堆核电站也是我国当前主要建设的核电站。压水堆核电站动力装置主要由反应堆,一次侧载热剂回路,二回路以及其辅助回路系统组成,其中反应堆由燃料棒、控制棒及压力壳等构成。一回路系统主要由核反应堆、循环泵、稳压器、蒸汽发生器以及相应的管道、阀门等设备组成。为了不让堆芯内产生的高温水沸腾,由稳压器加压的冷却剂冷却堆芯,带走堆芯的热量。高温高压的冷却剂由一回路循环泵打入反应堆,然后冷却剂再吸收核燃
17、料裂变产生的热能,流进蒸汽发生器,通过蒸汽发生器换热元件再将热量传递给管外流动的二回路工质水,使其变成蒸汽。然后再由一回路循环泵将冷却剂重新送回反应堆内,构成一个密闭的循环回路。 二回路系统主要由蒸汽发生器、汽轮机、循环泵、冷凝器及其他辅助设备组成,主要功能是将蒸汽的热能转化为电能。二回路给水在蒸汽发生器中通过管壁吸收一回路载热剂的热量后变成饱和蒸汽,然后进入汽轮机做功,汽轮机带动发电机发电,把核能转化为电能。做功后的乏汽排入冷凝器内,通过冷却水的凝结换热,乏汽冷凝后生成凝结水,然后由循环泵送回蒸汽发生器的二次侧再次被加热,构成二回路的密闭循环。蒸汽发生器是连接核电站一、二回路的重要枢纽,在核
18、动力装置中起着重要的作用,是完成热量从一回路到二回路传递的设备。核电厂的经济型和安全可靠性直接受蒸汽发生器的影响。压水堆核电站的蒸汽发生器在结构、热工、水动力特性等方面与火电站的汽包炉有很多相似之处。按照火电机组锅炉的分类方式,蒸汽发生器的分类按安放方位可分为卧式蒸汽发生器和立式蒸汽发生器;按二次侧工质的流动方式可分为直流蒸汽发生器和自然循环蒸汽发生器;按传热面管子形状可分为U形管、直管、螺旋管以及由其它形状的管子构成的蒸汽发生器;按蒸汽发生器与其它一回路设备的组合情况可分为组合式蒸汽发生器和分散布置蒸汽发生器。U型蒸汽发生器结构如图2-1所示,主要由一回路水室、管板、U型管束、汽水分离器和筒
19、体构成。蒸汽发生器外壳由上下两个筒体构成,这两个筒体直径不同,中间由锥形过度,上端为标准椭球形上封头,其顶端中心是主蒸汽的出口,最下端为球形封头,该封头与管板连接。构成一回路水室的部件有带一回路载热剂进出口接管的球形封头、管板、分程隔板等。图中各标号表示:1-蒸汽出I; 2-汽水分离器;3-二次侧给水;4-流贵分配挡板;5-U型管;6-管板;7-球形封头;8-次侧载热剂出U接管;9- -次侧载热剂进口接管;10-进出口挡板;11-二次侧壳体;I-顺流吸热升温段;II-逆流吸热升温段;III-吸热汽化段。 一回路管板用低合金钢锻件制造,球封头用低合金钢件或锻件冲压制造。一回路水室表面应堆焊或覆合
20、不锈层,以保证管子和管板的焊接质量,降低均匀腐蚀率,使载热剂保持清洁和较低的放射性水平,避免了释热元件的沾污和损坏。传热管材通常由18-8不锈钢(其标准成分是18%铬加8%镍)、因科镍-690和因科洛依-800制造。U型管束上装有支撑板,起支撑和防振作用。管束周围装有套筒,将筒体和管束隔开分成上升和下降通道。管束和套筒的上方装有汽水分离器。目前粗分离器多用旋叶式分离器,细分离器用双层布置带钩波形板分离器。从粗分离器和细分离器出来的水分都通过疏水系统与给水混合,向下流回环形腔。筒体一般采用碳素钢或低合金钢板卷板焊接而成,上封头以碳素钢或低合金钢板冲压而成。筒体由直径不同的上下两部分组成,装汽水分
21、离器的上筒体直径稍大,上下筒体之间用锥形筒体连接。给水接管和环形给水分配管组成了给水管,并且将其装在上筒体的下部。在环形管上开有若干分配孔,给水分配孔应作成非均匀丌孔,以改善管板以上管束区的热工水力特性。一般在环形管对应于管束热端得部分开孔要多些或开孔大些。此外套筒下端的缺口亦应丌成不等距的,要特别注意封死管板上非开孔区的通道。管板上方应该设置排污管。为避免泥渣沉积和腐蚀介质在沉积物与传热管间的缝隙中浓缩,运行中进行连续或定期排污,这样还可以防止在传热管上结垢,从而提高传热效率。排污管的吸入口应布置在泥渣易于沉积的区域。二回路侧焊在给水环管上的一系列倒U型管使给水沿简体周边分布。给水环管高度处
22、,给水与汽水分离器疏水相混合,流入管束围板与蒸汽发生器筒体之间的环形通道。管束围板在传热管的直管段相应部位为圆筒形,其下端用支承块支承。支承块的上端有销钉,避免管束围板与蒸汽发生器简体之间转动。管束围板下端与管板上表面间留有空隙,供己加热至接近饱和温度的水通过进入管束。在管束下部,高亍管板处,有一块流量分配板,板上钻的管孔比传热管的直径大,用于分配流量,在中心处钻一大孔。流量分配板还与U形管束中间的管通道挡块相结合,保证水以足够的速度有效地冲刷管板表面,以避免二回路侧腐蚀产物的聚积。管束是IF.方形排列的倒U形管,由沿管束长度分布的水平支承板保持管子间的间距。不诱钢制的支承板上钻有拉削的孔作为
23、管子通道。这些拉削的孔呈四叶梅花形,以加快二回路侧汽水混合物在管子周围的流动。九块支承板用支承块支承,支承块又通过管束围板将载荷传至蒸汽发生器筒体。支承板由用螺纹与管板连接的间隔杆固定以保持间距。这些装冒:消除了整个管束山于机械共振或山于水力激发引起的振动。U型管顶部的防振杆装置防止了传热管U形弯头部分的振动。在管板上表面水平地装设有两根多孔的管道供连续排污用。距管板上表面高约350mm处,蒸汽发生器筒体上设有四个检查孔,以便检查管板上表面。距管板上表面高约625mm处,筒体上设有两个检查孔,以便检查流量分配板以上的管束状况。距管板上表面高约490mm处还设有两个手孔,用于检查和验证管束的完整
24、性。五 化工原理在乏燃料后处理中的应用5.1后处理的作用后处理可充分利用核能资源；后处理可提高核电的经济性；后处理对保障核燃料工业环境安全至关重要-有利于废物处理与处置；后处理是国家战略安全的一种有效保障。5.2后处理的主要特点(1)临界事故的危险 控制设备的几何形状； 控制设备或系统的尺寸； 调整慢化剂与燃料的比例，并考虑加入中子毒物。(2)强放射性 屏蔽； 远距离操作控制与维修； 溶剂的辐解严重。(3) 产品质量要求高 收率要求； 放射性要求； 对铀、钚分离要求； 中子毒物要求 杂质要求同位素要求等。5.3后处理工艺技术的发展历程1.水法后处理技术的发展沉淀法流程磷酸铋沉淀剂Redox流程
25、甲基异丁基酮萃取剂，硝酸铝盐析剂Purex流程TBP萃取剂，硝酸盐析剂Thorex流程钍铀循环先进后处理分离流程2. 干法后处理的优缺点优点适合深燃耗、短冷却期燃料流程短、试剂消耗少临界风险小，防核扩散废物少，易于处理与处置。缺点分离系数小设备腐蚀严重条件苛刻，工程化难5.4乏燃料的首端处理5.4.1脱壳1. 化学脱壳：用强碱或强酸将包壳溶解。2. 机械脱壳 在水下进行，类似于剥香蕉皮3. 切割-浸取脱壳法切割机的发展第一代：1962年美国橡树岭国家实验室研制，250t液压卧式切割机，用于单根燃料元件的切割；第二代：1967年法国圣戈班新技术公司研制成功了切割成捆原料组件的卧式切割机；第三代：
26、法国圣戈班新技术公司研制的立式切割机；第四代：法国改进的卧式切割机主要机型。4. 其它脱壳法(1)激光切割法(2)燃烧浸取法 适用于高温气冷堆石墨包壳燃料 (3)高温脱壳法 乏燃料的氧化挥发预处理技术 (4)电解法阳极反应： Fe Fe3+ + 3e-阴极反应：当溶液中硝酸浓度高于2mol/L时： NO3- + 3H+ + 2e- HNO2 + H2O 优点是实用性广，除硝酸根外不引进其它阴离子，不释放氢气；缺点是溶解液中含有包壳材料的硝酸盐，最终进入高放废液中。5.5回收氮氧化物及硝酸的复用(1) 一氧化氮的氧化(2) 二氧化氮的吸收1.水吸收2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2
27、 + 1.16105 JN2O4 + H2O = HNO3 + HNO2 + 5.9104 JN2O3 + H2O = 2HNO2 + 5.57104 J2NO2 + HNO3 + H2O 3HNO3 2HNO3 + HNO22NO + HNO3 2HNO2 + O2 2HNO32。70%HNO3吸收5.6 TBP对金属及硝酸的萃取能力5.6.1 MO2(NO3)22TBP M(NO3)42TBP HNO3TBP M(NO3)53TBPM(NO3)33TBP M(NO3)2xTBP MNO3xTBPU() Np() Pu() Np()U()Pu() Pu()、Np()5.6.2 萃取平衡Mn+ + nNO3- + pTBP M(NO3)npTBP谢谢专心-专注-专业