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核燃料循环是核燃料获得、使用、处理和回收利用的全过程。一般包括铀资源开发和核燃料加工(前端)、核燃料在反应堆中使用、乏燃料处理(后端)三大部分。反应堆是核燃料循环的中心环节,燃料组件是反应堆的心脏或核心。

示意图

前端

1.铀矿地质勘探

铀是核工业最基本的原料。铀矿地质勘探的任务,是查明和研究铀矿床形成的地质条件,阐明铀矿床在时间上和空间上分布的规律,运用铀矿床形成和分布的规律指导普查勘探,探明地下的铀矿资源。

地壳中的铀,以铀矿物、类质图像(形成含铀矿物)和吸附状态的形式存在。由于铀的化学性质活泼,所以不存在天然的纯元素。铀矿物主要是形成化合物。目前已发现的铀矿物和含铀矿物有200种以上,其中只有10余种铀矿物具有实际的开采价值。

铀矿床是铀矿物的堆积体。铀矿床是分散在地壳中的铀元素在各种地质作用下不断集中而形成的,也是地壳不断演变的结果。查明铀矿床的形成过程,对有效的指导普查勘探具有十分重要的意义。

铀矿普查勘探工作的程序,包括区域区域地质调查、普查和详查、揭露评价、勘探等相互衔接的阶段。同时还伴随一些列的基础地质工作,如地形测量、地质填图、原始资料编录、岩石矿物鉴定、样品的化学与物理分析、矿石工艺试验等。

2. 铀矿开采

铀矿开采是生产铀的第一步。任务是把工业的铀矿从地下矿床中开采出来,或将铀经化学溶浸,生产液体铀化合物。铀矿的开采与其他金属物质的开采基本相同,但是由于铀矿有放射性,能放出放射性气体(氡气),品位较低,矿体分散和形态复杂,所以铀矿开采又有一些特殊的地方。

铀矿开采方法主要有露天开采、地下开采和原地浸出采铀三种方法。

5     铀提取工艺(水冶)

铀提取工艺的基本任务是将开采出来的矿产加工富集成含铀较高的中间产品,通常称为铀化学浓缩物,经过进一步强化,加工成铀氧化物作为下一步工序的原料。

常规的铀提取工艺一般包括,矿石品味、磨矿、矿石浸出、固液分离、铀提取(铀提纯)、沉淀等工序。

矿产开采出来后,经过破碎磨细,使铀矿物充分暴露,以便于浸出,然后在一定的工艺条件下,借助一些化学试剂与其他手段将矿石中有价值的成分选择性的溶解出来。有两种浸出方法:即酸法和碱法。

矿石浸出后的矿浆中含有矿石尾渣,需要通过一定的方法将固体(浸出尾渣)和液体(浸出液)分离开来,常用的方法有过滤、离心和沉降。固液分离可获得稀浓度矿浆或清液。

浸出液中,不仅铀含量低,而且杂志种类多,含量高,必须将这些杂志去除才能达到核电要求。这一步溶液纯化过程,有两种方法可供选择,离子交换法(又称吸附法)和溶剂萃取法。沉淀出铀化学浓缩物的工艺工程是水冶生产的最后一道工序,沉淀方法有中合法和过氧化氢沉淀法。沉淀物经洗涤、压滤、干燥后即得到水冶产品铀化学浓缩物,又称黄饼。

6     铀浓缩生产技术

根据U-235U-238相对原子质量不同,对铀同位素进行分离,使铀-235富集提高的处理即为浓缩。现代工业上采用的浓缩方法是气体扩散法、气体离心法和激光分离法。浓缩处理是以六氟化铀形式进行的,分离后余下的尾料,即含铀-2350.3%的贫化铀可作为贫铀弹的材料等。

7     反应堆用的燃料元件

经过提纯或同位素分离后的铀,还不能直接用于核燃料,还要经过化学、物理、机械加工等复杂而又严格的过程,制成形状和品位各异的元件,才能供各种反应堆作为燃料来使用。这是保证反应堆安全运行的一个关键环节。按组分特征,可分为金属型、陶瓷型和弥散型三种;按几何形状分,有柱状、棒状、环状、板状、条状、球状、棱柱状元件;按反应堆分,有试验堆元件、生产堆元件、动力堆元件。

核燃料元件种类繁多,一般都由燃料芯体和包壳管组成。核燃料元件由燃料组件和相关组件构成,燃料组件用于裂变释放能量;相关组件有控制棒组件、可燃毒物组件、中子源组件及组流塞组件,为链式反应的控制起到各自的作用。

核燃料元件在反应堆中的工况十分恶劣,长期处于强辐射、高温、高流速甚至高压的环境中,因此,芯体要有优良的综合性能。对包壳材料还要求有较小的热中子吸收截面(快堆除外),在使用寿期内,不能破损、因此核燃料元件制造是一种高科技含量的技术。

8     燃料元件在反应堆中的“燃烧”

核电站就是利用一座或若干动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施,反应堆是核电的关键设备,链式反应在其中进行。核燃料元件在反应堆内发生裂变而产生大量的热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内产生蒸汽,蒸汽推动汽轮机带着发电机一起转动,电就源源不断的产生,通过电网送到四面八方。

后端

核燃料后端包括燃料元件(指乏燃料)在堆内贮存、运输、中间贮存、后处理(回收利用)及永久性的地质处置。

乏燃料是指在反应堆中进行反应后卸出的燃料。乏燃料不能直接进行后处理,需进行一段时间的堆内贮存及中间贮存,达到冷却的目的。

针对反应堆卸下的乏燃料有着不同的管理措施,主要分为两种策略:

    一次通过。乏燃料卸出后经堆内贮存及中间贮存,直接(或经切割)包装后作为废物送入深地质层处置或长期贮存。

    闭式循环。乏燃料冷却后通过后处理等一系列过程使得核燃料使用过程闭合循环。