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1、1第三章第三章 核燃料加工、处理与放射性物质运输核燃料加工、处理与放射性物质运输 o 核燃料循环：核燃料所经历的包括燃料加工、核能核燃料循环：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。利用和燃料后处理等一系列步骤。o 前段：铀矿勘探、矿石开采与冶炼、铀同位素富集前段：铀矿勘探、矿石开采与冶炼、铀同位素富集（ 铀浓缩）、燃料元件制造铀浓缩）、燃料元件制造o 后段：乏燃料后处理、铀再富集、铀后段：乏燃料后处理、铀再富集、铀/钚再制成燃钚再制成燃料料o 本节将铀转化、铀浓缩、燃料元件制造和乏燃料贮本节将铀转化、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。
2、存、运输及后处理统称为核燃料加工、处理。o 简介其工艺及共性问题（核临界安全控制，辐射防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）。准则与管理要求）。2第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化一、铀转化的主要过程及其工艺特点一、铀转化的主要过程及其工艺特点o 铀化合物的转化（简称铀化合物的转化（简称“铀转化铀转化”）过程是）过程是核原料生产工艺的一部分，是联系各个环节核原料生产工艺的一部分，是联系各个环节的纽带。的纽带。o 本节仅讲述由天然铀精制的铀氧化物制成本节仅讲述由天然铀精制的铀氧
3、化物制成UF4，再转成，再转成UF6，及其还原的过程。，及其还原的过程。 3第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化一、铀转化的主要过程及其工艺特点（续）一、铀转化的主要过程及其工艺特点（续） 大多为气大多为气-固相反应，工艺特点：固相反应，工艺特点：o 固体的反应性（活性）很重要。固体的反应性（活性）很重要。o 固体颗粒的形貌及结构与原料有关。固体颗粒的形貌及结构与原料有关。o 体系处于瞬变状态。体系处于瞬变状态。 o 有较高（有较高（95）的转化率。）的转化率。o 在较高的温度下进行，伴发热。在较高的温度下进行，伴发热。o 在含在含HF、F2等强腐蚀性的气体中进行等强腐蚀性的气体中进行。
4、4第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化二、四氟化铀的生产二、四氟化铀的生产 1湿法与干法的比较湿法与干法的比较 湿法：溶解湿法：溶解UO2，加入氢氟酸，生成的沉淀，加入氢氟酸，生成的沉淀经过经过 滤、干燥和煅烧，得无水滤、干燥和煅烧，得无水UF4。有。有纯化，但工序多，废液多，成本高。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（干法：高温下用气态无水氟化氢（HF）与）与UO2反应得反应得UF4。铀回收率高、废液量很少、。铀回收率高、废液量很少、工艺简化、成本低，但流程适应性差，对原工艺简化、成本低，但流程适应性差，对原料要求严，无水料要求严，无水HF过剩量较大，对杂质
5、的纯过剩量较大，对杂质的纯化差。化差。 5第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化二、四氟化铀的生产（续）二、四氟化铀的生产（续）2UO2氢氟化工艺过程及其主体设备氢氟化工艺过程及其主体设备o 干法生产工艺由干法生产工艺由UO2原料与无水原料与无水HF的供给、的供给、UF4反反应器系统、尾气中应器系统、尾气中HF回收及处理，产品处理及包装回收及处理，产品处理及包装几部分组成，通常还有预还原或铀盐分解几部分组成，通常还有预还原或铀盐分解-还原工序。还原工序。o UF4：用于制备金属铀（金属品位）和生产：用于制备金属铀（金属品位）和生产UF（级（级联品位）。前者的质量要求比后者高，联品位）。前者
6、的质量要求比后者高，o 核心是核心是UO2的氢氟化，设备主要有卧式搅拌床、流化的氢氟化，设备主要有卧式搅拌床、流化床和移动床三类。流化床反应器气床和移动床三类。流化床反应器气-固相接触好，能固相接触好，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。匀，设备生产强度大而且简单。6第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化三、六氟化铀的生产、六氟化铀的生产 o UF6是唯一的一种既稳定又具高度挥发性的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。铀化合物，被用于铀同位素富集工厂的供料。o 生产生
7、产 UF6用核纯级的用核纯级的UF4在高温下与在高温下与F2发生发生作用。氟化要使用过量的氟气，而且过量的作用。氟化要使用过量的氟气，而且过量的氟气须再循环。氟气须再循环。o UF6生产过程主要由氟化、生产过程主要由氟化、UF6冷凝收集、冷凝收集、氟气回收和尾气处理四部分组成。氟气回收和尾气处理四部分组成。7第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化三、六氟化铀的生产（续）、六氟化铀的生产（续） UF4氟化反应器氟化反应器o火焰炉反应器：火焰炉反应器：UF4细粉末分散在细粉末分散在350-537的的氟气中发生燃烧，反应在火焰中进行。设备紧凑，氟气中发生燃烧，反应在火焰中进行。设备紧凑，生产强度
8、大，但对生产强度大，但对UF4粉末的纯度、粒度及其分散粉末的纯度、粒度及其分散装置要求严，炉体腐蚀重，残渣量多，氟气过剩量装置要求严，炉体腐蚀重，残渣量多，氟气过剩量大。大。o流化床反应器：反应器内的固体颗粒能迅速混合，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，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但设备尺寸大，生产强度低，且氟气剩量和灰渣率多。多。 8第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化三、六氟化铀的
9、生产（续）、六氟化铀的生产（续） UF4氟化反应器（续）氟化反应器（续）o 立式氟化炉：兼容火焰炉和流化床的优点，有良好的立式氟化炉：兼容火焰炉和流化床的优点，有良好的气气-固相接触，一定程度逆流，氟气过剩量小；灰渣固相接触，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，对原料中的简单，工作温度低，对原料中的Na、K含量要求不含量要求不严。严。o 卧式搅拌炉：完全的气卧式搅拌炉：完全的气-固相逆流接触，氟气耗量接固相逆流接触，氟气耗量接近化学计算量。但设备传热性不好，只适合在较低温近化学计算量。但设
10、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，操作度下氟化，产率低，容易发生中间氟化物烧结，操作困难。困难。9第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化三、六氟化铀的生产（续）、六氟化铀的生产（续） UF产品的收集产品的收集 从成品混合气中分离出从成品混合气中分离出UF ，再将其转装于专用容，再将其转装于专用容器中。混合气中器中。混合气中UF含量含量30%-90%，其余为，其余为F2、HF、N2、O2等不凝性气体。收集等不凝性气体。收集UF有凝华和液有凝华和液化两种过程。化两种过程。o 凝华过程：由气态经冷却直接转变为固态的过程。冷凝华过程：由气态经冷却直接转变为固态的
11、过程。冷凝器内设有档板或翅片。按冷却剂（如乙二醇水溶液）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。间歇操作。冷凝器出口处设高效滤网。 10第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化三、六氟化铀的生产（续）、六氟化铀的生产（续） UF6产品的收集产品的收集 （续）（续）o 液化过程：将含液化过程：将含UF6的混合气体压缩至的混合气体压缩至151.7 kPa以上且导入水冷却的冷凝器，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即被液化。此传热效率比
12、冷凝成固态UF6时要大得多，缺点是压缩的压力高，且时要大得多，缺点是压缩的压力高，且一次回收率低，须加一级冷冻冷凝。一次回收率低，须加一级冷冻冷凝。 为使产品极度均匀，在为使产品极度均匀，在UF6凝华后可加热凝华后可加热使其以气态转移至另一冷却器中再液化；或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，将固体在凝华冷凝器卸料时，将固体UF6加热到加热到90-100（压力为（压力为202.6-405.2kPa）直接液化。直接液化。11第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化三、六氟化铀的生产、六氟化铀的生产 （续） UF6产品的收集（续）产品的收集（续）o UF6装运容器：装运容器
13、： 富集度超过富集度超过3%用内径用内径5英寸的钢瓶；天然英寸的钢瓶；天然铀和贫化铀用内径为铀和贫化铀用内径为30英寸和英寸和48英寸的钢英寸的钢瓶。以液态形式装瓶，最大装填量依据瓶。以液态形式装瓶，最大装填量依据150时液体时液体UF6的密度来确定，钢瓶中的的密度来确定，钢瓶中的UF6在常温下则为固态。需要使用在常温下则为固态。需要使用UF6时，时，将其加热到三相点温度（将其加热到三相点温度（64.1）以上，钢）以上，钢瓶内的压力会升高到大气压以上，瓶内的压力会升高到大气压以上，UF6变成变成气态逸出。气态逸出。 12第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化三、六氟化铀的生产（续）、六氟化
14、铀的生产（续） 氟气回收氟气回收o 由氟化反应器排出的气体中含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，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；其余导往二次反再循环到氟化反应器中；其余导往二次反应系统与过量的应系统与过量的UF4反应，生成中间氟化物反应，生成中间氟化物和和UF4。所得固体返回氟化反应器作为供料，。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。气体则经过滤后送入二级冷凝器。13第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化三、六氟化铀的生产、六氟化铀的生产 （续） 尾气处理尾气处理 从第二级冷凝器排出的不凝气体
15、中，残留有从第二级冷凝器排出的不凝气体中，残留有UF6、F2和少量和少量HF等有害气体，排放前须处等有害气体，排放前须处理，以回收铀并防止铀和氟对环境的污染。理，以回收铀并防止铀和氟对环境的污染。o 固体化学阱法固体化学阱法用活性用活性Al2O3、CaSO4、NaF（沸石型固体）、活性碳和碱石灰等捕（沸石型固体）、活性碳和碱石灰等捕集。集。o UF4吸收法吸收法用用UF4来吸收来吸收F2。o 碱液洗涤法碱液洗涤法用碱液（用碱液（KOH或或K2CO3溶液）溶液）洗涤第二级冷凝器排出的尾气。洗涤第二级冷凝器排出的尾气。 14第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化三、六氟化铀的生产、六氟化铀的生
16、产 （续）3由再循环铀生产由再循环铀生产UF6 再循环铀的特点：又称后处理铀（再循环铀的特点：又称后处理铀（REU），放射性活），放射性活度比天然铀大得多，含少量放射性裂变产物（如度比天然铀大得多，含少量放射性裂变产物（如99Tc和和106Ru）和超铀元素（钚、镎等）；）和超铀元素（钚、镎等）； 另有另有232U和和236U。 232U衰变子体积累使其衰变子体积累使其剂量率随时间而显著剂量率随时间而显著增加，须增设屏蔽。增加，须增设屏蔽。 再循环铀的转化：化学转化过程无区别，但需考虑厂再循环铀的转化：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房与设备的屏蔽和气
17、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界安全。转化过程可对产品实现净化。 15第一节第一节 铀化合物的转化铀化合物的转化四、六氟化铀还原四、六氟化铀还原 六氟化铀最终加工成六氟化铀最终加工成UO2或金属铀。前者可直或金属铀。前者可直接用于反应堆的燃料芯体制造；后者则先要接用于反应堆的燃料芯体制造；后者则先要将其转化成将其转化成UF4，再用，再用Ca或或Mg还原成金属。还原成金属。 氢气还原法氢气还原法目前应用最广，产品的堆密度目前应用最广，产品的堆密度大、生产能力大而且操作特性好。大、生产能力大而且操作特性好。 四氯化碳还原法四氯化碳还原法控制温度且控制温度且CCl4过剩
18、。过剩。 氨还原法氨还原法与与NH3反应生成反应生成NH4UF5，再在，再在惰性气氛中分解得惰性气氛中分解得UF4。16第二节第二节 铀浓缩铀浓缩一、铀浓缩的基本概念一、铀浓缩的基本概念 1铀浓缩的必要性和重要性铀浓缩的必要性和重要性o 铀铀-235是唯一天然存在的易裂变核素，在天然铀是唯一天然存在的易裂变核素，在天然铀中丰度为中丰度为0.711%；铀；铀-238占占99%以上。以上。o 在热堆中，除少数重水堆、石墨气冷堆用天然铀外，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轻水堆需用丰度约为25%低浓缩铀燃料；一些低浓缩铀燃料；一些研究试验堆和快堆要用富集度更高的燃料；
19、高通量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的材料试验堆则需要90%以上的高浓铀。以上的高浓铀。o 铀浓缩指用人工方法使铀铀浓缩指用人工方法使铀-235丰度增加的过程。丰度增加的过程。17第二节第二节 铀浓缩铀浓缩一、铀浓缩的基本概念（续）一、铀浓缩的基本概念（续） 2分离功的基本概念和定义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浓缩铀的度量单位。把一定量的铀富集到一定的铀定的铀-235丰度所需要投入的工作量叫做丰度所需要投入的工作量叫做分离功（分离功（SWU），以），以kgSWU或或tSWU为为单位。单位。18第二节第二节 铀浓缩铀浓缩二、浓缩铀
20、生产的基本原理二、浓缩铀生产的基本原理 铀铀-235和铀和铀-238的化学性质相同而仅在质量上有微小差别。的化学性质相同而仅在质量上有微小差别。1气体扩散法气体扩散法 原理：基于两种不同分子量的气体原理：基于两种不同分子量的气体UF6混合物在热运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。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的无数微孔。两种组
21、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（又称扩散膜或分离膜）而扩散。当UF6气体通过扩气体通过扩散分离时，在过膜的低压侧铀散分离时，在过膜的低压侧铀-235有微小加浓，在有微小加浓，在不过膜的高压侧铀不过膜的高压侧铀-235被贫化。被贫化。 19第二节第二节 铀浓缩铀浓缩二、浓缩铀生产的基本原理（续）二、浓缩铀生产的基本原理（续） 1气体扩散法（续）气体扩散法（续） 扩散分离级的主要组成部分：扩散分离级的主要组成部分：分离器分离器圆筒形，内装几千支膜管（直径几厘圆筒形，内装几千支膜管（直径几厘米，长约米，长约11.5m）。）。压缩机压缩机往分离器连续供料并提供为维持扩散往分
22、离器连续供料并提供为维持扩散膜两侧压差所需的压头。膜两侧压差所需的压头。热交换器热交换器UF6气体被压缩后，温度升高，用气体被压缩后，温度升高，用热交换器带走热量，使温度保持恒定。热交换器带走热量，使温度保持恒定。（见图（见图31 扩散分离级原理图）扩散分离级原理图）20第二节第二节 铀浓缩铀浓缩二、浓缩铀生产的基本原理（续）二、浓缩铀生产的基本原理（续） 1气体扩散法（续）气体扩散法（续） 分离系数分离系数 -分离效果的量度，分离级前后所需同位素（铀分离效果的量度，分离级前后所需同位素（铀-235）的相对丰度比。）的相对丰度比。 -理论分离系数理论分离系数1.0043；实际分离系数为；实际分
23、离系数为1.002。 -由于单级的分离效果极小，为得由于单级的分离效果极小，为得3%的低浓铀产品，的低浓铀产品，需把一千多级扩散级串联起来组成级联。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，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。要消耗大量的电能。21第二节第二节 铀浓缩铀浓缩二、浓缩铀生产的基本原理（续）二、浓缩铀生产的基本原理（续） 2气体离心法气体离心法o 在高速旋转的离心机中，由于离心力场的作用，较重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。从的分子靠近外周富集，较轻的分
24、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法驱动转子内旋转的气体，造成一个轴向流动的逆向环流。环流。o 离心机（见图离心机（见图32）的能力取决于转筒的转速和长）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
25、超临界离心机，增加转子的材料）提高转速；或发展超临界离心机，增加转子的长度。长度。22第二节第二节 铀浓缩铀浓缩二、浓缩铀生产的基本原理二、浓缩铀生产的基本原理 （续）2气体离心法（续）气体离心法（续）o 气体离心法的优点气体离心法的优点 比能耗低，约为气体扩散法的比能耗低，约为气体扩散法的410。 单机浓缩系数（分离系数与单机浓缩系数（分离系数与1之差）大。离心机在之差）大。离心机在0.2，而气体扩散法仅为，而气体扩散法仅为0.002。为得。为得3%的低浓铀，的低浓铀，气体离心法只需要十几级的级联。气体离心法只需要十几级的级联。 技术发展潜力大，单机分离能力可不断提高，分离技术发展潜力大，单
26、机分离能力可不断提高，分离功成本大降。功成本大降。o 实用时，在各级中并联很多单机；需装几万台甚至几实用时，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。十万台离心机；关键在于离心机造价低、运行长寿。23第二节第二节 铀浓缩铀浓缩二、浓缩铀生产的基本原理二、浓缩铀生产的基本原理 （续） 3激光法激光法o 处于开发阶段，基本原理：利用同位素质量差所引处于开发阶段，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（称为同位素成的分子）在吸收光谱上的微小差别（称
27、为同位素位移），用线宽极窄即单色性极好的激光，选择性位移），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，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）再用物理或化学方法使之与未激发的原子（或分子）相分离。相分离。o 优点是分离系数大，一次分离即可获得高浓缩铀，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。但技术难度大，离工业应用较远。o 原子激光法（原子激光法（AVLIS）最成熟。）最成熟。 24第二节第二节 铀浓缩铀浓缩三、浓缩铀生产的工艺流程三、浓缩铀生产的工艺流程 1级联级联o 分
28、离级：级联的组成单位；级联：分离级间分离级：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，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。称为逆流型级联。o 级联的最少分离级数与分离系数级联的最少分离级数与分离系数有关。有关。25第二节第二节 铀浓缩铀浓缩三、浓缩铀生
29、产的工艺流程（续）三、浓缩铀生产的工艺流程（续） 2工艺流程概述工艺流程概述o 原料原料UF6经加热以气态供入级联分离，当经加热以气态供入级联分离，当235U被浓被浓缩到所需丰度时，装入冷冻状态下的产品容器，再液缩到所需丰度时，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；贫料化均质，取样合格后入成品库；贫料UF6装入冷冻状装入冷冻状态下的贫料容器，固化后送贫料场暂存。态下的贫料容器，固化后送贫料场暂存。o 主工艺系统：级联、供取料、产品液化倒料、物料贮主工艺系统：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、设备检修存运输、沾污容器和设备清洗、废液处理、
30、设备检修等。公用系统：供电、水、水处理、冷冻水、汽、压等。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。空、液氮、空调、通讯与报警、实物保护、防火等。26第二节第二节 铀浓缩铀浓缩三、浓缩铀生产的工艺流程（续）三、浓缩铀生产的工艺流程（续） 3铀浓缩工厂的基本特点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，腐蚀性工作介质为六氟化铀，化学性质活泼，腐蚀性强。强。工艺系统的高度密封性和清洁度工艺系统的高度密封性和清洁度主工艺回路主工艺回路负压下工作，须保持其真空密封。若遭破坏，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
31、成固体粉空气中水份与六氟化铀作用后会形成固体粉末。末。长期运行的安全性与可靠性长期运行的安全性与可靠性级联装置一旦启级联装置一旦启动，要求连续运行，要求可靠的供电。动，要求连续运行，要求可靠的供电。27第二节第二节 铀浓缩铀浓缩四、铀浓缩生产的核安全问题四、铀浓缩生产的核安全问题 o 主要污染物：铀及其氟化物。主要污染物：铀及其氟化物。o UF6化学性质活泼，可与水和有机物反应，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。有较强的刺激和腐蚀作用；还有辐射危害。o 现场污染控制；放射性流出物控
32、制；区域监现场污染控制；放射性流出物控制；区域监测；职业照射控制。测；职业照射控制。o 防止核临界。防止核临界。o 防止防止UF6泄漏。泄漏。28第三节第三节 燃料元（组）件制造燃料元（组）件制造一、核燃料组件简述一、核燃料组件简述o 核电厂的发热源。核电厂的发热源。PWR核燃料组件：由封装了易核燃料组件：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要由上下管座、格架、控制棒导向管和燃料元件棒组成（图组成（图3-6）。）。o 核燃料的能量高度集中。一座核燃料的能量高度集中。一座1GW的的PWR核电
33、机核电机组每年补充新燃料约组每年补充新燃料约24tLEU，在堆内使用，在堆内使用35a。燃料组件在堆内处于强中子场中，经受高温、高压、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，要求有高和复杂的机械载荷，工作条件十分苛刻，要求有高度的可靠性和安全性。度的可靠性和安全性。29第三节第三节 燃料元（组）件制造燃料元（组）件制造 一、核燃料组件简述（续）一、核燃料组件简述（续）燃料组件设计应考虑的技术要求：燃料组件设计应考虑的技术要求：o 燃料芯块和包壳的温度绝不允许超过其熔
34、点，且留有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。安全裕度。o 包壳应有足够的机械强度和刚度，最大容许应变量不包壳应有足够的机械强度和刚度，最大容许应变量不超过超过1%。o 包壳的最大腐蚀深度应低于壁厚的包壳的最大腐蚀深度应低于壁厚的10%。o 包壳内的气体压力应与外部压力值相近。包壳内的气体压力应与外部压力值相近。o 包壳的吸氢量低，因过量氢能使锆合金包壳脆化破损。包壳的吸氢量低，因过量氢能使锆合金包壳脆化破损。30第三节第三节 燃料元（组）件制造燃料元（组）件制造二、核燃料组件的制造工艺二、核燃料组件的制造工艺 化工转化制备可烧结化工转化制备可烧结UO2粉末粉末o 重铀酸铵
35、（重铀酸铵（ADU）工艺）工艺原料既可是原料既可是UF6也可是也可是UO2(NO3) 2，可回收废料，缺点是流程长，产生大量，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，氟含量高等。废水，产品组成复杂，粉末再现性不好，氟含量高等。o 一体化干法（一体化干法（IDR）工艺）工艺将将UF6送入回转炉反应器，送入回转炉反应器，入口处与部分蒸汽形成入口处与部分蒸汽形成UO2F2，再与，再与H2和蒸汽逆流反应和蒸汽逆流反应生成生成UO2粉末。有案可查工序短，产量大，废液量极少，粉末。有案可查工序短，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，转化在一台设备内
36、完成，生产可连续化、自动化，UO2粉末压制烧结性能好，尾气中的粉末压制烧结性能好，尾气中的HF易回收等优点；缺点易回收等优点；缺点是粉末流动性差，需要制粒工序，不能处理是粉末流动性差，需要制粒工序，不能处理UO2 (NO3) 2来料。来料。31第三节第三节 燃料元（组）件制造燃料元（组）件制造二、核燃料组件的制造工艺（续）二、核燃料组件的制造工艺（续） 化工转化制备可烧结化工转化制备可烧结UO2粉末（续）粉末（续） ADU制备陶瓷制备陶瓷UO2粉末的工艺过程：粉末的工艺过程： UF6气化气化 UF6水解水解 UF6（气）（气）+2H2O(液液)=UO2F2 (液液)+4HF(液液) ADU沉淀
37、沉淀用过量氨水沉淀成多种铀酸盐用过量氨水沉淀成多种铀酸盐 ADU过滤和洗涤除氟过滤和洗涤除氟 ADU干燥干燥使含水降到使含水降到10%以下。以下。 ADU分解、还原和脱氟分解、还原和脱氟在回转炉内煅烧分解，用在回转炉内煅烧分解，用氢还原成氢还原成UO2粉末，用水蒸气除氟。粉末，用水蒸气除氟。32第三节第三节 燃料元（组）件制造燃料元（组）件制造二、核燃料组件的制造工艺二、核燃料组件的制造工艺 （续） UO2芯块制备芯块制备o 先合批匀化，再制粒、压块、破碎和筛分，按规定粒先合批匀化，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。度配比，使粉末有好的流动性。 o 芯块生坯在旋转压
38、机或多冲头压机上等压压制。芯块生坯在旋转压机或多冲头压机上等压压制。o 芯块烧结，采用连续烧结炉，把生坯放在钼舟中，再芯块烧结，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将钼舟连续送入有还原气氛(氢气氢气)的烧结炉中烧结的烧结炉中烧结（温度（温度1700），烧结密度为理论密度的），烧结密度为理论密度的(951.5)% 。o 芯块磨削，保证外形尺寸和表面光洁度，再经清洗干芯块磨削，保证外形尺寸和表面光洁度，再经清洗干燥、外观完整性检查燥、外观完整性检查 。33第三节第三节 燃料元（组）件制造燃料元（组）件制造二、核燃料组件的制造工艺（续）二、核燃料组件的制造工艺（续） 组件零部
39、件制造组件零部件制造o 元件棒端塞、上下管座、定位格架和控制棒导元件棒端塞、上下管座、定位格架和控制棒导向管等的制造。向管等的制造。o 上下管座由低钴不诱钢制成。座面上导向管的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。位置公差要求严格。用精密程控加工。o 定位格架的弹簧和条带采用双金属格架，加工定位格架的弹簧和条带采用双金属格架，加工工艺有条带冲制、弹簧成型和焊接（用接触电工艺有条带冲制、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钎焊或激光焊接方法将条带焊接在一
40、起组成格架）。架）。34第三节第三节 燃料元（组）件制造燃料元（组）件制造二、核燃料组件的制造工艺（续）二、核燃料组件的制造工艺（续） 燃料元件棒制备燃料元件棒制备o 主要工序：锆合金管准备、端塞焊接、装入芯块、弹主要工序：锆合金管准备、端塞焊接、装入芯块、弹簧和隔离块、充氦和堵孔焊接。（图簧和隔离块、充氦和堵孔焊接。（图3-7）o 锆合金管入厂复验，用电子束或钨极保护气体焊接第锆合金管入厂复验，用电子束或钨极保护气体焊接第一个端塞，再在一个端塞，再在150C下经下经12h烘干。芯块装管烘干。芯块装管采用机械化自动装管工艺，也可手工装管。芯块的上采用机械化自动装管工艺，也可手工装管。芯块的上端
41、要装入氧化铝隔热块和弹簧。端要装入氧化铝隔热块和弹簧。 o 焊接质量采用超声检测和焊接质量采用超声检测和X光透射检测。光透射检测。o 组装好的元件棒要经过芯块间隔检查和同位素丰度检组装好的元件棒要经过芯块间隔检查和同位素丰度检查。查。35第三节第三节 燃料元（组）件制造燃料元（组）件制造二、核燃料组件的制造工艺（续）二、核燃料组件的制造工艺（续） 组件组装组件组装 o 压水堆燃料组件全长压水堆燃料组件全长45m，重量，重量550670kg，是大型而又精密的高技术产品。，是大型而又精密的高技术产品。o 组件的组装包括骨架组装和拉棒或推棒。先把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
42、向管点焊组成组件骨架，再将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。要注意防止棒被划燃料棒拉（或推）入骨架。要注意防止棒被划伤。伤。o 组装的最后工序是将上下管座与装完燃料棒的组装的最后工序是将上下管座与装完燃料棒的骨架用导向管连接起来。骨架用导向管连接起来。36第四节第四节 乏燃料贮存、运输及后处理乏燃料贮存、运输及后处理一、乏燃料的特性一、乏燃料的特性o “乏燃料乏燃料”定义：在核反应堆内使用（辐照）达到计定义：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。使用的核燃料。o 裂变
43、产物共有裂变产物共有36种元素，其原子序号自种元素，其原子序号自30（锌）至（锌）至65（铽），质量数从（铽），质量数从72至至161。核素有二三百种之。核素有二三百种之多。此外，还有氚。多。此外，还有氚。o 裂变产物少部分稳定，大多具有强裂变产物少部分稳定，大多具有强/放射性，但相放射性，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：（或更长）且对乏燃料随后的工艺具有重要意义的有：3H、85Kr、129,131I、133Xe（以上为气态）和（以上为气态）和90Sr、95Zr、95Nb、99Tc、
44、103,106Ru、137Cs、144Ce、147Pm、151Sm等。等。 37第四节第四节 乏燃料贮存、运输及后处理乏燃料贮存、运输及后处理一、乏燃料的特性（续）一、乏燃料的特性（续）o 锕系产物由铀同位素中子俘获反应（有时伴锕系产物由铀同位素中子俘获反应（有时伴随衰变）而生成，最重要的是钚的各种同位随衰变）而生成，最重要的是钚的各种同位素，尤以素，尤以239Pu为主，其他产物有镎、镅、锔为主，其他产物有镎、镅、锔等（又称等（又称“次锕系元素次锕系元素”）。各核素的产额）。各核素的产额随其电荷数和质量数的增加而减少。大多具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有半衰期较长的/放
45、射性，而且伴有一定放射性，而且伴有一定的中子发射率。的中子发射率。o 乏燃料本身会发出各种极强的射线和中子，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，还具有生物毒并由此伴随放出热量。此外，还具有生物毒性。（表性。（表3-3）38第四节第四节 乏燃料贮存、运输及后处理乏燃料贮存、运输及后处理二、乏燃料贮存二、乏燃料贮存 目的：使短半衰期放射性核素衰变（目的：使短半衰期放射性核素衰变（“冷却冷却”），并带走其衰变热。），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
46、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。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物须有足够的衰变时间才能完全转化为易裂变物质。产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。为使让某些放射性很强的铀同位素衰变。为使237U衰减到与天然铀相当衰减到与天然铀相当的放射性水平，一般需冷却的放射性水平，一般需冷却160180d。 贮存时间除考虑上述外，还要兼顾贮存装置的容量、乏燃料积存
47、对燃贮存时间除考虑上述外，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。堆现场至少贮存一年才被运出。 39第四节第四节 乏燃料贮存、运输及后处理乏燃料贮存、运输及后处理二、乏燃料贮存（续）二、乏燃料贮存（续）o 按贮存设施的所在地分为：按贮存设施的所在地分为：“在堆贮存在堆贮存”指在反应指在反应堆现场；堆现场；“离堆贮存离堆贮存”指将乏燃料运输到远离反应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。堆的地方（通常是后处理厂厂址）集中贮存。o
48、绝大部分贮存方式采用绝大部分贮存方式采用“湿式湿式”，即将乏燃料存放，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。须配备池水处理系统用，又可带走乏燃料的热量。须配备池水处理系统和热交换系统；贮存时间可长达和热交换系统；贮存时间可长达2030a。还开。还开发了发了“干式干式”贮存，包括干井、金属或混凝土容器、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（土圆仓、地窖等，贮存时间可更长（50100a）。）。40第四节第四节 乏燃料贮存、运输及后处理乏燃料贮存、运输及后处理二、乏燃料贮存（续）二、
49、乏燃料贮存（续） 乏燃料湿式贮存的安全性乏燃料湿式贮存的安全性o 水池结构的完整性。应保证在现场发生地震时仍能完水池结构的完整性。应保证在现场发生地震时仍能完好；卸料水池底部要有良好的吸震性能，以免万一发好；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。生容器坠落，水池的不锈钢覆面仍不破损。o 确保乏燃料处于次临界状态。尽可能使乏燃料排列紧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密，但要注意核临界安全。往池水中加入可溶性中子毒物和毒物和/或采用含有中子毒物的材料制成的贮存格架，或采用含有中子毒物的材料制成的贮
50、存格架，都可使乏燃料贮存更加密集化。此外，还应考虑贮存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。安全影响。 41第四节第四节 乏燃料贮存、运输及后处理乏燃料贮存、运输及后处理三、乏燃料运输三、乏燃料运输1运输容器运输容器o 容器是运输安全的关键装备，必须有足够的机械强度。容器是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，型密封圈等组成。圆筒上附设有吊耳。运输