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核燃料循環是核燃料獲得、使用、處理和回收利用的全過程。一般包括鈾資源開發和核燃料加工(前端)、核燃料在反應堆中使用、乏燃料處理(后端)三大部分。反應堆是核燃料循環的中心環節,燃料組件是反應堆的心臟或核心。

示意圖

前端

1.鈾礦地質勘探

鈾是核工業最基本的原料。鈾礦地質勘探的任務,是查明和研究鈾礦床形成的地質條件,闡明鈾礦床在時間上和空間上分布的規律,運用鈾礦床形成和分布的規律指導普查勘探,探明地下的鈾礦資源。

地殼中的鈾,以鈾礦物、類質圖像(形成含鈾礦物)和吸附狀態的形式存在。由于鈾的化學性質活潑,所以不存在天然的純元素。鈾礦物主要是形成化合物。目前已發現的鈾礦物和含鈾礦物有200種以上,其中只有10余種鈾礦物具有實際的開采價值。

鈾礦床是鈾礦物的堆積體。鈾礦床是分散在地殼中的鈾元素在各種地質作用下不斷集中而形成的,也是地殼不斷演變的結果。查明鈾礦床的形成過程,對有效的指導普查勘探具有十分重要的意義。

鈾礦普查勘探工作的程序,包括區域區域地質調查、普查和詳查、揭露評價、勘探等相互銜接的階段。同時還伴隨一些列的基礎地質工作,如地形測量、地質填圖、原始資料編錄、巖石礦物鑒定、樣品的化學與物理分析、礦石工藝試驗等。

2. 鈾礦開采

鈾礦開采是生產鈾的第一步。任務是把工業的鈾礦從地下礦床中開采出來,或將鈾經化學溶浸,生產液體鈾化合物。鈾礦的開采與其他金屬物質的開采基本相同,但是由于鈾礦有放射性,能放出放射性氣體(氡氣),品位較低,礦體分散和形態復雜,所以鈾礦開采又有一些特殊的地方。

鈾礦開采方法主要有露天開采、地下開采和原地浸出采鈾三種方法。

5     鈾提取工藝(水冶)

鈾提取工藝的基本任務是將開采出來的礦產加工富集成含鈾較高的中間產品,通常稱為鈾化學濃縮物,經過進一步強化,加工成鈾氧化物作為下一步工序的原料。

常規的鈾提取工藝一般包括,礦石品味、磨礦、礦石浸出、固液分離、鈾提取(鈾提純)、沉淀等工序。

礦產開采出來后,經過破碎磨細,使鈾礦物充分暴露,以便于浸出,然后在一定的工藝條件下,借助一些化學試劑與其他手段將礦石中有價值的成分選擇性的溶解出來。有兩種浸出方法:即酸法和堿法。

礦石浸出后的礦漿中含有礦石尾渣,需要通過一定的方法將固體(浸出尾渣)和液體(浸出液)分離開來,常用的方法有過濾、離心和沉降。固液分離可獲得稀濃度礦漿或清液。

浸出液中,不僅鈾含量低,而且雜志種類多,含量高,必須將這些雜志去除才能達到核電要求。這一步溶液純化過程,有兩種方法可供選擇,離子交換法(又稱吸附法)和溶劑萃取法。沉淀出鈾化學濃縮物的工藝工程是水冶生產的最后一道工序,沉淀方法有中合法和過氧化氫沉淀法。沉淀物經洗滌、壓濾、干燥后即得到水冶產品鈾化學濃縮物,又稱黃餅。

6     鈾濃縮生產技術

根據U-235U-238相對原子質量不同,對鈾同位素進行分離,使鈾-235富集提高的處理即為濃縮。現代工業上采用的濃縮方法是氣體擴散法、氣體離心法和激光分離法。濃縮處理是以六氟化鈾形式進行的,分離后余下的尾料,即含鈾-2350.3%的貧化鈾可作為貧鈾彈的材料等。

7     反應堆用的燃料元件

經過提純或同位素分離后的鈾,還不能直接用于核燃料,還要經過化學、物理、機械加工等復雜而又嚴格的過程,制成形狀和品位各異的元件,才能供各種反應堆作為燃料來使用。這是保證反應堆安全運行的一個關鍵環節。按組分特征,可分為金屬型、陶瓷型和彌散型三種;按幾何形狀分,有柱狀、棒狀、環狀、板狀、條狀、球狀、棱柱狀元件;按反應堆分,有試驗堆元件、生產堆元件、動力堆元件。

核燃料元件種類繁多,一般都由燃料芯體和包殼管組成。核燃料元件由燃料組件和相關組件構成,燃料組件用于裂變釋放能量;相關組件有控制棒組件、可燃毒物組件、中子源組件及組流塞組件,為鏈式反應的控制起到各自的作用。

核燃料元件在反應堆中的工況十分惡劣,長期處于強輻射、高溫、高流速甚至高壓的環境中,因此,芯體要有優良的綜合性能。對包殼材料還要求有較小的熱中子吸收截面(快堆除外),在使用壽期內,不能破損、因此核燃料元件制造是一種高科技含量的技術。

8     燃料元件在反應堆中的“燃燒”

核電站就是利用一座或若干動力反應堆所產生的熱能來發電或發電兼供熱的動力設施,反應堆是核電的關鍵設備,鏈式反應在其中進行。核燃料元件在反應堆內發生裂變而產生大量的熱能,再用處于高壓力下的水把熱能帶出,在蒸汽發生器內產生蒸汽,蒸汽推動汽輪機帶著發電機一起轉動,電就源源不斷的產生,通過電網送到四面八方。

后端

核燃料后端包括燃料元件(指乏燃料)在堆內貯存、運輸、中間貯存、后處理(回收利用)及永久性的地質處置。

乏燃料是指在反應堆中進行反應后卸出的燃料。乏燃料不能直接進行后處理,需進行一段時間的堆內貯存及中間貯存,達到冷卻的目的。

針對反應堆卸下的乏燃料有著不同的管理措施,主要分為兩種策略:

    一次通過。乏燃料卸出后經堆內貯存及中間貯存,直接(或經切割)包裝后作為廢物送入深地質層處置或長期貯存。

    閉式循環。乏燃料冷卻后通過后處理等一系列過程使得核燃料使用過程閉合循環。

 


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