核燃料循环后端讲解.pptx

核燃料循环后端  —乏燃料后处理 核化131班吴福海 2015.4.28 何为核燃料循环？ 核燃料循环是核工业体系中的重要组成部分； 所谓核燃料循环是指核燃料的获得、使用、处理、回收利用的全过程； 燃料循环通常分成两大部分，即前端和后端 前端包括铀矿开采、矿石加工（选矿、浸出、沉淀等多种工序）、铀的提取、精制、转换、浓缩、元件制造等； 后端包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚分离的后处理以及对放射性废物处理、贮存和处置。 中核集团拥有我国核燃料循环相关的所有企业。 采矿：新疆、内蒙、江西等矿冶企业 铀浓缩： 504、405、814厂 核燃料元件制造：202、812 前后处理： 404、821（中核四川环保工程有限责任公司） 相关研究院： 401、北京二院、石家庄四院、郑州五院、中核集团天津理化工程研究院、上海八所、太原七院 我国核燃料循环相关企业情况 乏燃料后处理 乏燃料是指在核反应堆中，辐照达到计划卸料的比燃耗后从堆中卸出，且不再在该堆中使用的核燃料。 对反应堆中用过的核燃料所进行的化学处理，以除去裂变产物等杂质并回收易裂变核素和可转换核素以及一些其他可利用物质的过程，称为核燃料后处理（nuclear fuel reprocessing）。 辐照过的燃料元件从堆内卸出时，无论是否达到设计的燃耗深度，总是含有一定量裂变燃料（包括未分裂和新生的）。回收这些宝贵的裂变燃料（铀-235，铀-233和钚）以便再制造成新的燃料元件或用做核武器装料，是后处理的主要目的。 此外，所产生的超铀元素以及可用作射线源的某些放射性裂变产物（如铯-137，锶-90等）的提取，也有很大的科学和经济价值。 乏燃料的处理 乏燃料：大部分238U(95%)， 235U（小于0.83%）, 一定数量Pu（1％），裂变产物(约3%) 后处理的目的：提高资源利用——回收乏燃料中的铀、钚进行再循环(MOX) 改进废物管理——减少废物体积，实施先进燃料循环(P/T) 8 MOX燃料（Mixed Oxide Fuel）钚铀氧化物混合燃料的简写，是由二氧化铀（UO2）和二氧化钚（PuO2）构成的氧化铀钚燃料。 钚除用于制备核武器外，还可以制成核燃料，用作和平目的，其中最有效的利用就是钚铀混合氧化物燃料，即MOX燃料。 法国有1/3的核电站用MOX燃料。 MOX燃料 天然铀 低浓铀（发电前） 低浓铀（发电后） MOX燃料 U235 U238 Pu239 FP（Fission Product）裂变产物 U238等 乏燃料后处理的发展历史 最初目的：提取武器级钚 尝试过多种方法，先用沉淀法，最终选择萃取法 用过多种萃取剂（二乙醚、甲基异丁基酮等），美国发展Purex（普雷克斯）流程（以磷酸三丁酯TBP为萃取剂）， 1954年在Savannah River运行，60年代实现商业应用 目前世界上的后处理厂都采用Purex流程 干法后处理尚未实现商业运行 11 乏燃料后处理具有放射性强，毒性大，有发生临界事故的危险等特点，因而必须采取严格的安全防护措施。后处理工艺可分下列几个步骤： （1）冷却与首端处理：冷却将乏燃料组件解体，脱除元件包壳，溶解燃料芯块等。 （2）化学分离：即净化与去污过程，将裂变产物从Ｕ-Pu中清除出去,然后用溶剂萃取法将铀-钚分离并分别以硝酸铀酰和硝酸钚溶液形式提取出来。 （3）通过化学转化还原出铀和钚。 （4）通过净化分别制成金属铀（或二氧化铀）及钚（或二氧化钚)。 萃取过程萃取剂（Extractant）: 磷酸三丁酯 TBP稀释剂（Solvent）：煤油萃取反应：铀钚共萃→铀钚分离→铀钚纯化 铀萃取: 钚萃取： 铀钚分离－钚还原： 13 萃取流程图 14 PUREX已成功实现工业运行 Purex流程的去污因子及回收率 15 干法（火法）后处理 减少分离步骤、减少二次废物的产生 高燃耗、短冷却期 乏燃料会造成萃取剂辐射分解，使工艺无法运行（如快堆乏燃料） 发展的方法有：熔融精制、电精制、真空蒸馏等 氟化法：UF6 PuF6 易挥发——简化分离，U产品适合直接再浓缩，没有萃取剂辐射分解的问题 高温冶炼法：高温熔化、挥发、结晶——适合铀合金燃料 熔盐电解精炼法 16 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），兰州404厂 设计能力为日处理100公斤乏燃料 对乏燃料进行处理，对铀、钚回收，并重返燃料循环 我国404厂的核燃料处理能力 日本的