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1、核工程导论第六章第六章 核燃料循环核燃料循环NuclearFuelCycle第六章 核燃料循环n n6.1 核燃料循环体系n n6.2 核燃料循环前端n n6.3 堆内燃料循环n n6.4 核燃料循环后端6.1 核燃料循环体系NuclearFuelCycle前端后端NuclearFuelCycle核燃料循环系统n n铀矿石开采和冶炼n n铀转化n n铀同位素浓缩n n核燃料元件制造n n核电站n n乏燃料后处理n n废物处理前端后端核燃料的制造六氟化铀黄饼矿石冶炼转化浓缩芯块烧结组装组件6.2 核燃料循环前端n n世界铀资源世界铀资源n n铀矿地质勘查铀矿地质勘查n n铀矿石开采和选冶铀矿石开
2、采和选冶 MiningMiningn n铀水冶铀水冶 Uranium Ore ProcessingUranium Ore Processingn n铀化合物的转化铀化合物的转化 Conversion(UO2,UO3,UF4,UF6,U3O8,U)Conversion(UO2,UO3,UF4,UF6,U3O8,U)n n铀的浓缩铀的浓缩Uranium EnrichmentUranium Enrichmentn n核燃料元件制造核燃料元件制造Fuel Fabrication(AGR,FBR,GCR,LWR,MAGNOX,MOX,PHWR,Fuel Fabrication(AGR,FBR,GCR,L
3、WR,MAGNOX,MOX,PHWR,RBMK,Pellets)RBMK,Pellets)世界铀资源n n勘定储量：勘定储量：5Mt5Mtn n推测储量：推测储量：25Mt25Mtn n包括海水中的铀：包括海水中的铀：25Gt25Gtn n世界上重要的铀矿资源国家世界上重要的铀矿资源国家 澳大利亚澳大利亚4444 哈萨克斯坦哈萨克斯坦2020 加拿大加拿大1818 南非南非8 8 美国、独联体、刚果、尼日利亚等美国、独联体、刚果、尼日利亚等 n n我国的东北、西北、西南及中南地区都蕴藏有铀我国的东北、西北、西南及中南地区都蕴藏有铀世界铀资源分布加拿大哈萨克斯坦澳大利亚南非美国价格世界铀资源用于
4、反应堆的产能效率天然铀资源用于热中子反应堆用于快中子反应堆不回收核燃料回收核燃料并复用钚复用钚勘定储量：5Mt811182368850推测储量：25Mt405590118044250包括海水中的铀：25Gt4050059000118004425001t天然铀的产能值（MWd/t）5500*8000*16000*600000折算为标准煤吨数1622523600472001770000按能值折算为标准煤单位：Gt标准煤*:分离工厂贫铀中U235含量取0.2铀矿地质勘查n n地位和作用地位和作用 不属于核燃料循环不属于核燃料循环 提供铀矿储量信息提供铀矿储量信息n n铀矿种类和价值铀矿种类和价值 已
5、发现已发现170170多种铀矿床及含铀矿物多种铀矿床及含铀矿物 具有实际开采价值只有具有实际开采价值只有1418%1418%一般铀含量一般铀含量0.10.3%,0.10.3%,水银的水银的5050倍，黄金的倍，黄金的10001000倍倍 最高的含量最高的含量21%,21%,加拿大加拿大 主要在花岗岩中主要在花岗岩中n n影响铀矿床工业的主要因素影响铀矿床工业的主要因素 矿石品位矿石品位 矿床储量矿床储量 开采条件开采条件n n普查勘探工作程序普查勘探工作程序 区域地质调查、普查和详查、揭露评价、勘探等区域地质调查、普查和详查、揭露评价、勘探等 地形测量、地质填图、原始资料编录等地形测量、地质填
6、图、原始资料编录等 我国需要我国需要5 5年以上的时间年以上的时间野外勘探野外勘探遥感合成图遥感合成图铀矿地质勘查铀矿铀矿铀矿地质勘探 n n核工业地质局核工业地质局n n核工业北京地质研究院核工业北京地质研究院n n核工业航测遥感中心核工业航测遥感中心 n n核工业西北地质局二八大队核工业西北地质局二八大队 n n核工业地质局二一六大队核工业地质局二一六大队 n n核工业东北地质局二四三大队核工业东北地质局二四三大队 n n核工业西北地质局二三研究所核工业西北地质局二三研究所 n n核工业中南地质局二三研究所核工业中南地质局二三研究所 n n核工业东北地质局二四研究所核工业东北地质局二四研究
7、所 n n核工业华东地质局二七研究所核工业华东地质局二七研究所 n n核工业西南地质局二八研究所核工业西南地质局二八研究所 n n核工业华南地质局二九研究所核工业华南地质局二九研究所 核工业总公司铀矿石n n种类种类 沥青铀矿沥青铀矿 钾钒铀矿钾钒铀矿n n铀含量铀含量 铀矿石平均含铀品位为：铀矿石平均含铀品位为：0.150.15 富矿：富矿：0.4%0.4%n n储量测量储量测量：航空测量航空测量 谱仪谱仪n n铀储量铀储量 探明储量：经过地质勘探，计算分析，得到的具体储量探明储量：经过地质勘探，计算分析，得到的具体储量 预测储量：铀的矿床、矿田和成矿区域中比较有利的地区，根据预测储量：铀的
8、矿床、矿田和成矿区域中比较有利的地区，根据这些地区的成矿条件推算出来的这些地区的成矿条件推算出来的铀矿石铀矿石铀矿石铀矿放大10000倍中国第一块铀矿石我国的铀资源n n中国是铀矿资源不甚丰富中国是铀矿资源不甚丰富n n我国铀矿探明储量居世界第我国铀矿探明储量居世界第1010位之后，不能适应位之后，不能适应发展核电的长远需要发展核电的长远需要n n矿床规模以中小为主矿床规模以中小为主n n矿石品位偏低矿石品位偏低 一般在千分之一含量就要开采，成本较高一般在千分之一含量就要开采，成本较高 开发堆浸、地浸技术，可降低成本开发堆浸、地浸技术，可降低成本n n我国逐步发现了花岗岩型我国逐步发现了花岗岩
9、型38%38%、火山岩型、火山岩型22%22%、砂、砂岩型岩型19.5%19.5%和碳硅泥岩型和碳硅泥岩型16%16%四大类型的铀矿床四大类型的铀矿床 北方铀矿区以火山岩型、砂岩型为主北方铀矿区以火山岩型、砂岩型为主地浸地浸 南方铀矿区以花岗岩型为主南方铀矿区以花岗岩型为主堆浸堆浸我国铀矿分布图广东湖南江西云南广西浙江新疆河北陕西我国的铀矿分布n n已探明的铀矿已探明的铀矿 大小铀矿床大小铀矿床(田田)200)200多个多个 矿床以中小型为主矿床以中小型为主n n主要分布主要分布 江西、广东、湖南、广西，以及新疆、辽宁、云南、河北、内蒙江西、广东、湖南、广西，以及新疆、辽宁、云南、河北、内蒙
10、古、浙江、甘肃等省古、浙江、甘肃等省(区区)n n主要的铀矿床主要的铀矿床 相山铀矿田、郴县铀矿床、下庄铀矿田、产子坪铀矿田、青龙铀相山铀矿田、郴县铀矿床、下庄铀矿田、产子坪铀矿田、青龙铀矿田、腾冲铀矿床、桃山铀矿床、小丘源铀矿床、黄村铀矿床、矿田、腾冲铀矿床、桃山铀矿床、小丘源铀矿床、黄村铀矿床、连山关铀矿床、蓝田铀矿床、若尔盖铀矿床、芨岭铀矿床、伊犁连山关铀矿床、蓝田铀矿床、若尔盖铀矿床、芨岭铀矿床、伊犁铀矿床、白杨河铀矿床铀矿床、白杨河铀矿床n n已经建成和新建的厂矿已经建成和新建的厂矿 衡阳铀矿、郴州铀矿、大浦街铀矿、上饶铀矿、抚州铀矿、乐安衡阳铀矿、郴州铀矿、大浦街铀矿、上饶铀矿、抚
11、州铀矿、乐安铀矿、翁源铀矿、衢州铀矿、澜河铀矿、仁化铀矿、本溪铀矿、铀矿、翁源铀矿、衢州铀矿、澜河铀矿、仁化铀矿、本溪铀矿、蓝田铀矿、伊犁铀矿等蓝田铀矿、伊犁铀矿等 铀矿石开采Miningn n地位和作用地位和作用 从地下矿床中开采出工业品位的铀矿石从地下矿床中开采出工业品位的铀矿石 或将铀经化学溶浸，生产出液体铀化合物或将铀经化学溶浸，生产出液体铀化合物n n铀的开采铀的开采 露天开采露天开采：露天出入沟：露天出入沟n n用于埋藏较浅的矿体用于埋藏较浅的矿体n n方法剥离表土和覆盖岩石，使矿石出露，然后进行采矿方法剥离表土和覆盖岩石，使矿石出露，然后进行采矿n n穿孔爆破、采装、运输和排土穿
12、孔爆破、采装、运输和排土n n机械化程度高、生产能力大、生产成本低、劳动条件好机械化程度高、生产能力大、生产成本低、劳动条件好 地下开采地下开采：井巷掘进：井巷掘进n n用于埋藏较深的矿体用于埋藏较深的矿体n n凿岩爆破凿岩爆破n n井巷工程：决定了矿山基建时间井巷工程：决定了矿山基建时间 原地浸出（地浸）原地浸出（地浸）in situ leaching,ISLin situ leaching,ISLn n通过地表钻孔将化学反应剂注入矿带，通过化学反应选择性地溶解通过地表钻孔将化学反应剂注入矿带，通过化学反应选择性地溶解矿石中的铀，并将浸出液提取出地表矿石中的铀，并将浸出液提取出地表n n具有
13、生产成本低，劳动强度小具有生产成本低，劳动强度小n n仅适用于具有一定地质、水文地质条件的矿床（仅适用于具有一定地质、水文地质条件的矿床（砂岩型砂岩型）湖南彬州放射性选矿厂特点中国第一个铀矿选矿厂位于矿附近苏联技术建于1960年磁选分离铀矿石的加工冶炼UraniumOreProcessingn n铀含量铀含量 铀矿石中的铀含量只有千分之二铀矿石中的铀含量只有千分之二n n铀矿石平均含铀品位为：铀矿石平均含铀品位为：0.150.15n n富矿：富矿：0.4%0.4%n n铀的矿冶工艺铀的矿冶工艺 从铀矿中提取、浓缩、纯化精制从铀矿中提取、浓缩、纯化精制天然铀天然铀产品的过程产品的过程n n提炼方
14、式提炼方式 铀的铀的选矿选矿n n重力选矿、磁选选矿、放射性选矿重力选矿、磁选选矿、放射性选矿 铀的水冶铀的水冶n n将铀溶解的化学反应过程（将铀溶解的化学反应过程（用酸或碱的水溶液用酸或碱的水溶液）铀的纯化铀的纯化n n从纯净的溶液中提取铀（从纯净的溶液中提取铀（浓缩和纯化使铀和杂质分开浓缩和纯化使铀和杂质分开）达到较高和达到较高和核纯级要求的产品核纯级要求的产品 (天然铀天然铀)n n产品产品 固态铀化学浓缩物固态铀化学浓缩物n n铀水冶铀水冶 重铀酸铵（黄饼）重铀酸铵（黄饼）、三碳酸铀铵、三碳酸铀铵n n纯化精制纯化精制 核纯度的核纯度的铀氧化物（铀氧化物（U U3 3O O8 8黄饼）
15、黄饼）浸出浸出铀矿开采铀矿开采铀矿开采与矿冶铀矿开采从铀矿中提取、浓缩、纯化精制天然铀产品提铀提铀铀含量0.1%0.2%形态矿石矿浆粉末核纯铀核纯铀40%70%陶瓷等75%我国的铀矿开采和矿石提炼能力n n中国有几十座矿山、铀水冶厂、铀开采联合企业中国有几十座矿山、铀水冶厂、铀开采联合企业中国有几十座矿山、铀水冶厂、铀开采联合企业中国有几十座矿山、铀水冶厂、铀开采联合企业n n中国的铀处理厂在矿山附近。主要在中国的铀处理厂在矿山附近。主要在 广东、江西、湖南等广东、江西、湖南等n n据据IAEAIAEA信息，中国有信息，中国有1200tU/y1200tU/y的冶炼能力的冶炼能力n n正在运行的
16、矿石处理工厂正在运行的矿石处理工厂 衡阳铀水冶厂，衡阳铀水冶厂，414414厂，后改为厂，后改为272272厂厂 （1000t/y1000t/y）抚州抚州 hengjianhengjian铀水冶厂铀水冶厂 （200t/y200t/y）n n两个关闭两个关闭 xxxx 伊宁（新疆）伊宁（新疆）我国铀矿采冶企业 n n中核金原铀业有限公司中核金原铀业有限公司 n n核工业第四研究设计院核工业第四研究设计院n n核工业北京化工冶金研究院核工业北京化工冶金研究院n n核工业江西矿冶局核工业江西矿冶局 n n核工业湖南矿冶局核工业湖南矿冶局 n n核工业广东矿冶局核工业广东矿冶局 n n核工业甘肃矿冶局
17、核工业甘肃矿冶局 n n核工业新疆矿冶局核工业新疆矿冶局 n n核工业云南矿冶公司核工业云南矿冶公司 n n属地化以后，核工业集团另外保留了属地化以后，核工业集团另外保留了8 8个矿（负责采矿）个矿（负责采矿）和和1 1个工厂（衡阳个工厂（衡阳272272厂，承担铀的水冶任务）。厂，承担铀的水冶任务）。核工业总公司我国铀矿石杂质分离的生产方式 n n堆浸矿石开采后运至处理厂（矿石开采后运至处理厂（millmill）浸出）浸出主要以北方可地浸砂岩型矿床为主（新疆、东主要以北方可地浸砂岩型矿床为主（新疆、东北、内，蒙古地区）北、内，蒙古地区）n n地浸 in situ leaching(ISL)i
18、n situ leaching(ISL)直接在矿井中浸出直接在矿井中浸出以南方硬岩为主以南方硬岩为主 堆浸提铀堆浸提铀n n目的目的 在一定的工艺条件下，借助于一些化学溶剂或在一定的工艺条件下，借助于一些化学溶剂或其它手段，将矿石中有价值的组份，选择性地其它手段，将矿石中有价值的组份，选择性地浸出或者浸取浸出或者浸取n n浸出方式浸出方式 地浸地浸 in situ leachingin situ leachingn n直接在矿中浸出溶液的方式直接在矿中浸出溶液的方式 堆浸堆浸heap leachingheap leachingn n在矿地将矿石堆在一起，用溶液浸出的方式在矿地将矿石堆在一起，用
19、溶液浸出的方式 原地爆破浸出工艺原地爆破浸出工艺n n先将矿石原地爆破破碎后浸出的方式先将矿石原地爆破破碎后浸出的方式 搅拌浸出（池浸）搅拌浸出（池浸）n n将矿石运至水冶厂，在专用搅拌浸出池中进行将矿石运至水冶厂，在专用搅拌浸出池中进行的方式的方式n n浸出液浸出液 酸法酸法：硫酸：硫酸 碱法碱法：碳酸钠、碳酸氨、碳酸氢钠等：碳酸钠、碳酸氨、碳酸氢钠等 细菌浸出法细菌浸出法：将矿石中的硫化物变成硫酸：将矿石中的硫化物变成硫酸 浸出时间浸出时间：310h,310h,几十小时不等几十小时不等 浸出率浸出率：85%97%(85%97%(搅拌浸出搅拌浸出),),5%15%(5%15%(堆浸堆浸)n
20、n浸出的矿浆浸出的矿浆 经固液分离得到含铀的清液或稀矿浆经固液分离得到含铀的清液或稀矿浆矿石浸出堆浸池浸矿石黄饼黄饼铀的提取和沉淀产出n n目的目的 将浸出液中的铀与杂质分离将浸出液中的铀与杂质分离 使铀得到部分浓缩使铀得到部分浓缩n n提取和沉淀方式提取和沉淀方式 离子交换法离子交换法 溶液萃取法溶液萃取法 加入沉淀剂使铀化学浓缩物沉淀加入沉淀剂使铀化学浓缩物沉淀 将沉淀物洗涤、压滤、干燥将沉淀物洗涤、压滤、干燥n n原料原料 含铀矿浆含铀矿浆n n产品产品 铀化学浓缩物铀化学浓缩物(黄饼黄饼)n n重铀酸钠重铀酸钠n n重铀酸氨重铀酸氨 含铀量含铀量40%70%40%70%仍含大量杂质仍含
21、大量杂质黄饼黄饼yellow cakeyellow cake中国第一座且最大的大型铀水冶纯化厂又名414厂、272厂建于1958年容量：1100tU/y，正常产量：500tU/y用 A/IX(acid leaching/ion exchange)处理方法，磁选分离产品：U308 product湖南衡阳铀水冶厂矿浆浓密池浸出浸出磨矿矿石准备矿石准备江西抚州铀矿和铀矿加工厂n n中国两大铀矿之一n nHengjian铀矿加工厂 建于1976年n n产品：U308 productn n用 A/IX(acid leaching/ion exchange)处理方法，磁选分离 容量：200tU/y，正常产
22、量：300tU/y铀的精制n n目的目的 精制盐过程，生成核纯度的铀精制盐过程，生成核纯度的铀 转化成易于氢氟化的铀氧化物转化成易于氢氟化的铀氧化物n n精制方式精制方式 离子交换法离子交换法 溶液萃取法溶液萃取法 分布结晶法分布结晶法n n原料原料 铀化学浓缩物铀化学浓缩物(重铀酸钠、重铀酸氨重铀酸钠、重铀酸氨)n n产品产品 铀氧化物铀氧化物(U(U3 3O O8 8、UOUO2 2等等)、四氟化铀、四氟化铀（UFUF4 4）等）等n n煅烧煅烧 制取制取U U3 3O O8 8或或UOUO2 2陶瓷陶瓷铀精制厂铀水冶产品-黄饼yellow caken n水冶后的固态铀化学浓缩物水冶后的固
23、态铀化学浓缩物 重铀酸铵重铀酸铵，黄饼黄饼n n精制后的铀氧化物产品精制后的铀氧化物产品 U U3 3O O8 8，黄饼黄饼 UFUF4 4n n天然铀的原料天然铀的原料n n直接上国际市场直接上国际市场n n国际价格国际价格 2020100100$/kg U/kg U3 3O O8 8铀转换conversion将水冶产品铀浓缩物中的铀转换成核纯级铀金属或六氟化物(UFUF6 6)的全部物理化学 过程铀转化工厂铀转化工厂六氟化铀黄饼中国有三座铀转化厂，主要集中在中国的西北地区中国有三座铀转化厂，主要集中在中国的西北地区即将建成在四零四厂的中国最大的集中铀转化厂，是我国规模最大的六氟化铀生产厂铀
24、化合物的转化n n铀的多形态化合物铀的多形态化合物 铀氧化物、碳化铀、氮化铀、氢化铀、卤化物、六氟铀氧化物、碳化铀、氮化铀、氢化铀、卤化物、六氟化物化物 热中子堆燃料常见：铀的氧化物、铀的卤化物热中子堆燃料常见：铀的氧化物、铀的卤化物n n铀化合物转换铀化合物转换 将水冶产品铀浓缩物中的铀转换成将水冶产品铀浓缩物中的铀转换成核纯级铀金属核纯级铀金属或或六六氟化物氟化物的全部物理化学过程的全部物理化学过程n n核纯标准核纯标准 以硼当量的百万分之几的基准计算以硼当量的百万分之几的基准计算 当核燃料中有俘获中子的当核燃料中有俘获中子的“杂质杂质”时，将会降低核燃时，将会降低核燃料的料的效能效能铀浓
25、缩enrichment天然铀（0.7%U235）低浓缩铀（35%U235）U235铀同位素分离扩散机群铀同位素分离扩散机群Gaseous diffusion铀同位素离心级联铀同位素离心级联Ultracentrifugation铀浓缩铀235同位素的浓度天然铀：0.712（CANDU）浓缩铀：2(轻水堆)10，低浓缩铀、高浓缩铀贫料铀：0.2%（未料）铀浓缩-同位素分离日本的浓缩厂青森県上北郡六所村大字尾駮字野附铀同位素分离扩散机群铀同位素分离扩散机群Gaseous diffusion铀的浓缩n n用于大多数核电站用于大多数核电站n n动力反应堆铀燃料的主要形式：动力反应堆铀燃料的主要形式：UO
26、UO2 2n n铀铀235235同位素的浓度同位素的浓度 天然铀天然铀：0.7120.712（CANDUCANDU）浓缩铀浓缩铀：2(2(轻水堆轻水堆)10)10，低浓缩铀、高浓缩铀，低浓缩铀、高浓缩铀 贫料铀贫料铀：0.2%0.2%（未料）（未料）n n因为同位素有几乎相同的化学特性，不易用化学分离因为同位素有几乎相同的化学特性，不易用化学分离n n铀的浓缩是精炼油的铀的浓缩是精炼油的物理过程物理过程 利用微小质量差分离利用微小质量差分离U U238238和和U U235235 需首先将氧化物转换成需首先将氧化物转换成六氟化铀六氟化铀气体气体:UFUF6 6n n浓缩厂浓缩厂的最终产品为的最
27、终产品为UFUF2 2铀的浓缩方法 气体扩散法气体扩散法n n最成功、最经典的方法最成功、最经典的方法n n轻同位素气态时移动较快，通过多孔分离膜抽取，轻同位素气态时移动较快，通过多孔分离膜抽取，如如3%3%浓、浓、0.2%0.2%贫贫,需要需要39003900级级n n美国、法国等使用美国、法国等使用 气体离心法气体离心法n n通过重力和离心场，重的在外通过重力和离心场，重的在外n n单位分离功耗电只是气体扩散法的单位分离功耗电只是气体扩散法的5%5%，成本下降，成本下降了了75%75%n n日本、欧洲等日本、欧洲等 气体喷嘴法气体喷嘴法n n高速吹向凹型壁，惯性和离心力使重物近壁面高速吹向
28、凹型壁，惯性和离心力使重物近壁面 激光分离法激光分离法n n利用吸收光的能级不同，用激光进行选择性的激利用吸收光的能级不同，用激光进行选择性的激发，并使其离子化，几乎可以达到同位素完全分发，并使其离子化，几乎可以达到同位素完全分离，是最有希望的分离方法离，是最有希望的分离方法n n商业上尚未得到试验验证商业上尚未得到试验验证n n美国、日本在研究美国、日本在研究世界各地的铀浓缩厂法国意大利西班牙伊朗英国德国美国气体扩散法气体扩散法燃料元件制造燃料芯块压水堆燃料组件重水堆燃料组件化工过程(将UF6转化为UO2)压制过程(陶瓷)元件总装组件组装核燃料元件制造fuelfabricationn n核燃
29、料特性高热导率高热导率抗辐照能力抗辐照能力n n避免肿胀、开裂、蠕变引起的变形避免肿胀、开裂、蠕变引起的变形化学稳定性化学稳定性n n防止与冷却剂的化学反应防止与冷却剂的化学反应高的熔点高的熔点易加工的物理、力学性能易加工的物理、力学性能低膨胀系数低膨胀系数含较高浓度易裂变物资含较高浓度易裂变物资不含中子吸收截面大的其它物质不含中子吸收截面大的其它物质核燃料元件制造n n燃料元件的种类燃料元件的种类 陶瓷型陶瓷型n nUOUO2 2，轻水堆动力反应堆轻水堆动力反应堆n nUOUO2 2-PuO-PuO2 2,混合燃料（混合燃料（MOXMOX燃料），燃料），液态金属冷却快中子反应堆液态金属冷却快
30、中子反应堆 铀金属（生产裂变铀金属（生产裂变Pu-239Pu-239的堆）的堆）弥散型弥散型 棒状、板状、球状棒状、板状、球状n n制造工艺制造工艺 准备过程准备过程n n化工过程化工过程：将：将UFUF6 6转化为转化为UOUO2 2，有干法、湿法，为主要经济过程之，有干法、湿法，为主要经济过程之一一n n压制过程压制过程：将：将UOUO2 2制成粉末、压制并烧结成芯块，研磨、成品检查制成粉末、压制并烧结成芯块，研磨、成品检查n n总装总装：将芯块组合成套，组装成燃料元件：将芯块组合成套，组装成燃料元件 元件包壳管和端塞的准备元件包壳管和端塞的准备：如检验、探伤、加工、检查、焊接：如检验、探
31、伤、加工、检查、焊接 燃料组件组装用零件的准备、套配燃料组件组装用零件的准备、套配：如外壳、管座、定位格架、：如外壳、管座、定位格架、连杆连杆 燃料组件的组装燃料组件的组装，台架检验，台架检验我国的核燃料元件制造企业n n核工业第五研究设计院（核燃料设计）n n四川宜宾核燃料元件厂（建中化工总公司）主要生产压水堆核电站燃料元件主要生产压水堆核电站燃料元件包括包括3030万、万、6060万、万、9090万、万、100100万千瓦万千瓦具备年产具备年产200200吨燃料组件的能力吨燃料组件的能力n n包头正在建设核燃料元件厂（光华化学工业公司）主要生产重水主要生产重水CANDUCANDU堆核电站燃
32、料元件堆核电站燃料元件全球燃料循环相关设施统计IAEA-IAEA-Nuclear Fuel Cycle Information System（NFCIS)统计数据2003铀价格n n无公认的国际市场铀价格，铀价格的弹性很大无公认的国际市场铀价格，铀价格的弹性很大n n黄饼（黄饼（U U3 3O O8 8）2020100100$/kg U/kg U3 3O O8 8 （燃油（燃油3030$200200$/t/t）一个一个900MWe900MWe的轻水堆核电站每年约需的轻水堆核电站每年约需160t160t天然铀天然铀n n铀转换铀转换 提供六氟化铀状态的金属铀提供六氟化铀状态的金属铀n n铀的浓缩
33、铀的浓缩 价格在核燃料循环中具有很重要的地位价格在核燃料循环中具有很重要的地位 铀同位素的分离费：铀同位素的分离费：分离功的价格分离功的价格 与原料浓度、浓缩铀产品浓度、贫铀浓度有关与原料浓度、浓缩铀产品浓度、贫铀浓度有关 贫铀浓度与决定了价格的升降：最优化贫铀浓度，贫铀浓度与决定了价格的升降：最优化贫铀浓度，0.20.4%0.20.4%n n燃料元件组件的加工成本燃料元件组件的加工成本 以铀金属重量计算，约以铀金属重量计算，约300$/kgU300$/kgU。燃料循环后端-后处理n n乏燃料回收乏燃料回收 ReprocessingReprocessing 将乏燃料中的铀和钚分别提纯出来作为新
34、的核燃料使用将乏燃料中的铀和钚分别提纯出来作为新的核燃料使用n nMOXMOX燃料燃料n n再浓缩后利用再浓缩后利用n n放射性废物的处理和放射性废物的处理和储存储存 中间储存中间储存 放射性废物的处理放射性废物的处理n n固化固化n n深地层压裂技术（中放废物）深地层压裂技术（中放废物）n n分离分离-嬗变法（高放废物最终处理方法）嬗变法（高放废物最终处理方法）放射性废物的的最终处置放射性废物的的最终处置n n地表处置地表处置n n深地层埋藏处置深地层埋藏处置 AFR Spent Fuel Storage(Wet or Dry)AFR Spent Fuel Storage(Wet or Dr
35、y)低放废物低放废物中放废物中放废物高放废物高放废物中国第一座动力堆乏燃料元件后处理中间试验厂中国第一座动力堆乏燃料元件后处理中间试验厂（中试工程中试工程），兰州），兰州404404厂厂设计能力为日处理100公斤乏燃料后处理厂检修大厅后处理厂检修大厅机械设备实验大厅机械设备实验大厅乏燃料管理对乏燃料进行处理，对铀、钚回收，并重返燃料循环燃料后处理和再循环MOX燃料：混合铀/钚氧化燃料Mixed uranium and plutonium Oxides fuel乏燃料的处理,spend fuelPool storage,池内储存Shearing,切割Dissolution,分解Vitrifica
36、tion,玻璃化法国有三分之一核电站用MOX燃料铀燃料的利用和再处理乏燃料的成分裂变产物：3钚：1铀235:1铀238：95MOX燃料混合铀/钚氧化燃料铀：钚1：1再浓缩燃料 铀235:3 铀238：97日本的燃料再处理厂青森県上北郡六所村大字尾駮字野附世界核燃料的再处理工厂 法国英国俄罗斯印度日本MOX燃料天然铀低浓铀（发电前）低浓铀（发电后）MOX燃料U235U238Pu239FPU238等核燃料的裂变比例比较铀铀钚钚燃耗燃耗铀燃料堆芯MOX燃料堆芯我国404厂的核燃料处理能力中国已经建成两座中低放废物处置场高放废物管理技术也在积极地研究中中核清原公司负责全国的低、中放固体废物处置场的选址
37、、设计、建设和运行放射性废物管理将后处理中产生的高、中、低放射性废物浓缩之后进行处理和中间储存，最后进行最终处置广东北龙废物处置场（8800立方米，远期规划容量万立方米）西北废物处置场（首期废物容量为万立方米）核废料的来源和特性n n核废料是核电站运行所产生的无法再回收使用，必須丟弃的废弃物 n n具有很强的辐射性和长效放射性特征 有些元素（如钚）其半衰期可达数万年以上，有些元素（如钚）其半衰期可达数万年以上，即使是低放射性的核废料，半衰期也有达即使是低放射性的核废料，半衰期也有达500500到到600600年年的的n n据估计，目前全世界核废料估计有900多吨放射性废物的处理和处置放射性废物
38、的处理和处置n n稀释和弥散入环境低放物低放物n n浓缩、包容和隔离n n废物的分类高水平放射性废物（高水平放射性废物（HLWHLW），），4%4%中等水平的放射性废物（中等水平的放射性废物（MLWMLW）低水平放射性废物（低水平放射性废物（LLWLLW）n n废物的处理和处置气气态态液液态态固固态态低放射性废料的来源n n核能电厂在维护、除污作业、或运转过程中所产核能电厂在维护、除污作业、或运转过程中所产生受放射性物质污染的生受放射性物质污染的 废树脂、浓缩液、衣物、手套、工具及废弃的零组件，废树脂、浓缩液、衣物、手套、工具及废弃的零组件，设备，或是净化水系统所产生的残渣设备，或是净化水系统
39、所产生的残渣n n核能电厂运转寿命终了时核能电厂运转寿命终了时 各项废弃核设施拆除过程中，所产生之废弃物各项废弃核设施拆除过程中，所产生之废弃物n n医疗院所、农业、工业及学术研究单位使用放射医疗院所、农业、工业及学术研究单位使用放射性同位素过程中性同位素过程中 所产生的废弃物与使用过但仍具相当辐射强度之辐射所产生的废弃物与使用过但仍具相当辐射强度之辐射源源核电厂放射性的来源（1）n n放射性腐蚀产物放射性腐蚀产物 被活化了的结构材料的辐射产物被活化了的结构材料的辐射产物 净化系统废物净化系统废物n n被污染物被污染物 电厂废弃的零组件电厂废弃的零组件 受污染的衣物、手套、工具等受污染的衣物、
40、手套、工具等n n气体废料气体废料 冷却水经堆心照射后形成活化气体冷却水经堆心照射后形成活化气体 废料焚化或熔融处理时产生的气态废料焚化或熔融处理时产生的气态腐蚀产物残渣残渣净化系统树脂树脂废水废水低阶放射性废料低放射性废料的处理低放射性废料的处理 n n低阶放射性废料的处理流程低阶放射性废料的处理流程 废料体积的缩小（废料体积的缩小（减容减容）废料的废料的固化固化 废料的废料的运输运输 废料的最终处置废料的最终处置n n减容与固化减容与固化 将放射性废料转变为较稳定将放射性废料转变为较稳定的形态的形态 使其所含的放射性核种，无使其所含的放射性核种，无法自废料中释出法自废料中释出 n n最终处
41、置场堆存最终处置场堆存 将包装处理后的放射性废料将包装处理后的放射性废料送往最终处置场堆存送往最终处置场堆存 压缩放射性废料的固化及装桶n n放射性废料必须固化n n水泥固化方法处理核电厂所产生的硫酸钠浓缩液及粉状树脂与过核电厂所产生的硫酸钠浓缩液及粉状树脂与过滤残渣的处理方法滤残渣的处理方法n n玻璃固化方法处理装桶固化低放物质的固化气体放射性废料的处理流程汽体放射性物质的处理低浓度的液态放射性废料的处理流程固态放射性废料的減容固态放射性废料的減容 n n焚化方式处理可燃性废料可燃性废料废料的体积可以减少废料的体积可以减少2020至至2525倍倍n n压缩方式处理非燃性放射性废料非燃性放射性
42、废料n n等离子焚化熔融（未来）n n可将废料体积减少可将废料体积减少2 2倍到倍到1010倍倍n n熔融所得的熔岩抗压强度大于每平方公分熔融所得的熔岩抗压强度大于每平方公分1,0001,000公斤公斤焚化炉 固态放射性废料的固态放射性废料的处理流程减容中心压缩装桶搬运处理放射性废物的运输核废料运输器械低放射性废料的运输和储存贮存场壕沟内废料桶排列情形 低放射性廢料運輸船 可埋设的低放射性废物低放射性废料的最终处置西班牙El Cabril 低放射性废料最终处置场最终处置场避免或减少因地下水等媒介将放射性核种迁移至人类生活圈多重障壁之设计来阻滞放射性核种的迁移确保长期置放的过程中，不致对环境 质
43、量与人类生活安全造成不良之影响全球约有73座低放射性废弃物最终处置场，分属32个国家 美国邦威尔美国邦威尔(Barnwell)低放射性废料低放射性废料最终处置场最终处置场哥伦比亚市近郊浅地掩埋方式进行处置废料桶在处置沟内放置定位后，3呎厚之砂层覆盖其上，并填满其间之空隙处置沟全部填满后，其上方再覆盖2呎之覆盖材质，并以振动压土机压实，使其压密达到原有体积之90%约一年后，其上再覆盖1呎之表土处置作业 已完成处置作业之绿地最终处置场处置沟法国法国CentredelAube低放射性废料低放射性废料最终处置场最终处置场設施外觀運轉情形位于巴黎东方约200公里之一片森林中1981年开始计划执行到199
44、2年正式启用约花了11年处置场拥有100万立方公尺容量最终处置场鸟瞰图日本六个所村低放射性废料最终处置场日本六个所村低放射性废料最终处置场 日本青森县上北郡六个所村第一阶段容量为40,000立方公尺(约为200,000桶)处置设施规划为40个处置坑(pit)，每一个处置坑为24公尺长、24公尺宽、6公尺深，划分为16个处置槽，每一个处置槽分为8层，每层8列、5行，可容纳320桶废料桶(每桶55加仑)，每一处置坑可容纳5,120桶。最终处置场实景 低放射性废物掩埋工厂（日本）AECL的乏燃料地面贮存高阶放射性废料的处理高阶放射性废料的处理 n n乏燃料乏燃料n n三个阶段管理的处理方式三个阶段管
45、理的处理方式 厂内燃料池内冷却贮存厂内燃料池内冷却贮存(一年以上一年以上)再处理或中期贮存再处理或中期贮存(40-70(40-70年年)深地层最终处置深地层最终处置 即使采用再处理，再处理过程中所产生的高放射性废即使采用再处理，再处理过程中所产生的高放射性废料须以料须以玻璃固化方法玻璃固化方法处理，但亦需进行深地层最终处处理，但亦需进行深地层最终处置置n n厂内燃料池贮存厂内燃料池贮存 n n乏燃料中期贮存乏燃料中期贮存 采用混凝土护箱采用混凝土护箱水平混凝土模块进行水平混凝土模块进行干式中期干式中期贮存，贮存，一般贮存一般贮存5050年年美国Surry核电厂的干式贮存法Surry核电厂乏燃料
46、金属贮存Surry核电厂乏燃料自池中移至金属贮存罐之作业情形 Surry核电厂乏燃料中期贮存露天贮存场 核废料的最终处理 n n核废料的最终处理方法海洋处理海洋处理陆地处理陆地处理多数国家采取的是海洋处理方法，即将核废料多数国家采取的是海洋处理方法，即将核废料桶投入到选定的海域桶投入到选定的海域40004000米以下的海底去米以下的海底去 废物的储存和运输废物储存库 检查装置表面汚染密度測定 废物运输 低放射性废物管理仓库概略图低放射性物体的长期存储在废物体之间充填材料盖土(4m以上)混凝土(2m以上)覆盖充填高放废液贮存厂房Waste Storage Facilities in the United StatesWastestorageYucca Mountain Project美国Yucca山核废物处置研究计划 内华达永久性核废料贮藏所