核反應(yīng)堆工程002

1、7、鈾礦的勘探與開采 勘探：對礦床全面工業(yè)評價，查資源，定儲量 礦床指標：礦石品位，礦床儲量 勘探方法：放射性測量，如利用航空總計數(shù)測量、航空能譜測量及車載步行放射性測量圈定放射性異常區(qū)。 地球物理方法和遙感技術(shù)也受到重視。含鈾量礦石等級0.3%富礦0.10.3%中礦0.050.1% 貧礦第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán)鈾儲量礦床等級5000t大型1500t中型1001000t小型第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán) 鈾資源分類（IAEA）BAR：可確保資源（可靠鈾資源）EAR：預(yù)計可回收資源（估算的附加鈾資源）世界鈾儲量：739萬噸（BAR+EAR） 海水

2、：億噸。成本高：1940美元/噸，只日本進行了中試，生產(chǎn)了7.5kg。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán) 開采方法 地下坑道開采法：對于離地面較深的脈型礦床采用。其工藝復(fù)雜，成本高。 露天開采法：對于離地面較淺的沉積型大型礦床采用。剝離表土和覆蓋巖石后，用大型機械開采，勞動條件好，回采率高，成本低。 化學(xué)開采法：包括地浸和堆浸，其優(yōu)點是不必進行挖掘開采和礦石加工，節(jié)約生產(chǎn)費用，可以開采不值得挖掘的低品位礦，只有很少的放射性被帶到地面，減少礦工在地下工作的風險，但這種方法對地質(zhì)條件要求嚴格，鈾的浸出率和回收率低，最多只能達到50，并可能對地下水造成污染。 目前大多數(shù)采用地下開采

3、法，少數(shù)使用露天開采法。開采出的礦石一般先經(jīng)過物理選礦，篩選掉相當一部分廢石，以提高待處理的礦石品位，減少鈾礦石加工和精制的工作量。 目前采用的鈾礦石的物理礦方法有放射性選礦、選擇性磨礦選礦、浮游選礦、重力選礦和電磁選礦等。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán)8、鈾礦石的加工和精制8.1鈾礦石預(yù)處理第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán)鈾礦石預(yù)處理破碎：初碎、中碎、細碎焙燒：提高有用成分的溶解度和降低雜質(zhì)的溶解度，以利于后續(xù)的浸出處理；改善礦石的物理性質(zhì)，以利于后續(xù)的磨礦處理和浸出后的液固分離。方法：氧化焙燒、加鹽焙燒和改善物理特性的焙燒。磨礦：研磨成一定粒度的原

4、料。8.2鈾礦石的浸出第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán)水冶：由于鈾礦石的加工過程多采用濕法化學(xué)處理，稱為鈾的 水法冶金(又稱濕法冶金) 。浸出（浸取，固液萃?。菏且环N固液接觸的操作過程，用固體中的一些有用成分易于溶解在一些液體中，而將其提取到液體中，進行后續(xù)的加工。鈾礦石浸出的主要目的：是把鈾從礦石轉(zhuǎn)入溶液，浸出處理礦石的液體稱為浸出劑或浸取劑，完成浸出過程后的浸出劑叫做浸出液或浸取掖。浸出率：浸出后轉(zhuǎn)入浸出液中的鈾量與浸出前礦石中總鈾量的 百分比。由于浸出劑有選擇性溶解作用，礦石中有的雜質(zhì)元素不被浸出或難被浸出，所以浸出過程也是鈾與雜質(zhì)元素的初步分離過程。鈾礦石的浸出是

5、鈾水冶的第一步。 浸出方法 主要采用酸法和堿法 酸浸出劑：硫酸（硝酸、鹽酸成本高等，較少使用） 步驟：需加入氧化劑如氯酸鈉(NaCLO3)，每噸礦石用量為1.36kg，將礦石中的鈾氧化成6價。采用掖固比(浸出液與礦石的質(zhì)量之比)為0.61.2。在40一80下浸出38h，鈾的浸出率為85一97。發(fā) 生的化學(xué)反應(yīng)為第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán) 對含碳酸鹽較多的礦物，常用堿法浸出。堿法浸出過程可選用的浸出劑有碳酸鈉(Na2CO3)、碳醋氫鈉(NaHC03)和碳酸銨(NH4)2CO3。這些試劑對設(shè)備材料的腐蝕性都不大，但碳酸銨價格較貴且易分解，故一般不采用。 工業(yè)上選用碳酸鈉或

6、碳酸鈉與碳酸氫鈉的混合溶液作浸出劑。 以碳酸鈉與碳酸氫鈉的混合液作為浸出劑發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán)8.4鈾的濃縮與純化 鈾礦石浸出得到的浸出液中，鈾的濃度仍然很低，每升溶液僅含鈾幾百毫克至1-2g，溶液中含有大量雜質(zhì)，包括高中子吸收截面的元素，如硼(B)、鎘(cd)、稀土(RE)、氯(Cl)等，以及可形成揮發(fā)性氟化物的元素，如鉬(Mo)、鎢(w)、鉻(cr)、釩(v)等，因此必須從這種濃度低、含有大量雜質(zhì)的浸出液中，對鈾進行提取和濃縮，制備較純的鈾化合物，然后再進一步純化去陳雜質(zhì)，得到核純的鈾化合物。 方法：化學(xué)沉淀法、離子交換法、溶劑萃取法 對鈾濃

7、度低的清液或礦漿，用離子交換法為好。 對鈾濃度高的清液，用溶劑萃取法更為合適。萃取法已成為當前許多鈾水冶廠、特別是新建的鈾水冶廠提取和濃縮鈾的主要方法。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán) 離子交換法 離子交換法是一種基本的化學(xué)分離過程。 許多無機化合物在水溶液中以陽、陰離子的形式存在。有些固體材料上的離子容易與水溶液中的離子進行交換，這些固體材料叫做離子交換樹脂，可以進行陽離子交換的樹脂叫陽離子交換樹脂，可以進行陰離子交換的樹脂叫陰離子交換樹脂。離子交換樹脂與水溶液的離子進行交換的過程叫做離子交換。水溶液中有的離子容易進行交換，有的不容易進行交換，這樣就可以實現(xiàn)分離。進入樹脂

8、的溶液叫吸附液。交換上去的離子被樹脂吸附，然后再用適當?shù)脑噭┌阉鼜臉渲舷疵撓聛磉M行回收，這個過程收做淋洗。 使鈾浸出液通過離子交換樹脂，鈾容易被吸附上去，而雜質(zhì)不容易被吸附，再用比較少量的淋洗濃將鈾淋洗下來，從而實現(xiàn)了鈾的濃縮和初步純化，這就是用離子交換法提取鈾。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán) 用離子交換法提取鈾一般用陰離子交換樹脂，因為不論是用酸法浸出還是用堿法浸出，都可以在浸出液中形成鈾的陰離子，但作為雜質(zhì)的金屬不易形成陰離子，因而可以通過陰離子交換選擇性地吸附鈾。用于鈾水冶廠的典型陰離子交換樹脂是強堿性的季銨型樹脂。 20世紀40年代，人們升始研究用離子交換法提取

9、和濃縮鈾。1952年以后，許多鈾水冶廠采用離子交換法處理蝕浸出液，這是由于離子交換池的選擇性好，能得到純度較高的鈾濃縮液，離子交換樹脂可以循環(huán)使用，試劑消耗量較小，并能從礦漿中提取鈾。但是離子交換法存在著生產(chǎn)速度侵，樹脂對鈾的吸附容量小，不便連續(xù)操作等缺點。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán) 8.5溶劑萃取法 溶劑萃取又叫作液-液萃取，簡稱萃取。它是使不互溶或基本上不互溶的兩個液相互相接觸，利用各組分在兩該相間不同的分配關(guān)系，使組分從一濃相傳入另一液相，從而實現(xiàn)組分間分離的過程。 需要進行分離處理的液相稱為原料液或料液，另一個液相稱為溶劑。經(jīng)過兩相充分接觸后，原料液中的溶質(zhì)分

10、配在兩相中達到平衡，這種極限情況叫做一個理論級。而后使兩相分離開來，料液成為萃余液，溶劑成為萃取液。一般情況下，料掖是水溶液，稱為水相，溶劑是有機物，稱有機相。純的溶劑叫萃取劑，萃取后的溶劑叫萃取液。 在通過萃取實現(xiàn)了組分的分離后，為了回收進入萃取劑中的組分，需要用與萃取劑不互溶的另一液相與其接觸，使組分進入該液相，這個過程叫作反萃取，簡稱反萃。進行反萃的另一液相就叫反萃液。有時在反萃前還要用純水或酸、堿、鹽的水溶液對萃取別處理一下，這個過程叫做洗滌。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán) 8.6 鈾的精制與轉(zhuǎn)化 從鈾水冶廠得到的鈾化學(xué)濃縮物，一般為重鈾酸鹽或三碳酸鈾酰鹽。這些濃

11、縮物在純度和化學(xué)形態(tài)上都不能滿足應(yīng)用要求，因而需要進一步精制(純化)，精制主要用溶劑萃取法進一步去除雜質(zhì)，制成核純的鈾化合物，并通過沉淀制成鈾氧化物(二氧化鈾、八氧化三鈾、三氧化鈾)。為了進行鈾的同位素分離，需進行鈾的轉(zhuǎn)化，即將鈾的氧化物轉(zhuǎn)化成四氟化鈾、六氟化鈾，也可轉(zhuǎn)化成金屬鈾進行其他的應(yīng)用。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán) 鈾的精制方法：采用干法和濕法。 干法為美國阿貢國立實驗室開發(fā)的無水氟化物揮發(fā)法，即將鈾濃縮物直接氟化，然后再將得到的六氟化鈾進行純化，就可得到核純產(chǎn)品。 一般都采用經(jīng)典的濕法處理，包括化學(xué)沉淀法、離子交換法和溶劑萃取法等。 目前多采用溶劑萃取法。萃取

12、法的優(yōu)點是選擇性好，回收率高，設(shè)備簡單且容易實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)和自動化?？墒褂玫妮腿┯卸颐眩谆惗⊥土姿崛□?TBP)。 將鈾化學(xué)濃縮物用鋼筒由水冶廠運抵轉(zhuǎn)化廠，先把鈾的化學(xué)濃縮物溶解于硝酸中，經(jīng)過濾后，用磷酸三丁酯進行萃取分離，再用1的硝酸溶液或蒸餾水反萃得到高純度、高濃度的硝酸鈾酰溶液，硝酸鈾酰濃度一般為100一300g/L，硝酸濃度為0.05mol/L左右。 將硝酸鋼酰通過加熱脫硝轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物三氧化鈾，分為兩步進行。先將硝酸鈾酰溶液加熱蒸發(fā)結(jié)晶，冷卻至室溫，得到黃色晶體硝酸鈾酰六水合物UO2(NO3)262O，然后將硝酸鈾酰水合物加熱至300熱解脫硝生成三氧化鈾第二章：核燃料與核

13、燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán) 實際的反應(yīng)過程相當復(fù)雜，在溫度較低時，生成一系列中間化合物，在溫度較高時，這些中間化合物進一步轉(zhuǎn)化為六氟化鈾。工程上采用分段氟化的方法。 把氟化反應(yīng)器分為低溫區(qū)和高溫區(qū)，四氟化鈾首先在低溫區(qū)(250 以下)生成中間氟化物，然后把中間氟化物送入高溫區(qū)，進一步轉(zhuǎn)化為六氟化鈾。 高溫區(qū)溫度的選擇以設(shè)備材料不受腐蝕和物料不發(fā)生燒結(jié)為準。 氟化反應(yīng)設(shè)備主要有流化床反應(yīng)器、火焰反應(yīng)爐和螺旋攪拌反應(yīng)器。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán) 四氟化鈾制備金

14、屬鈾的方法：用高純的金屬鎂或鈣進行還原。 鎂還原法比鈣還原法用得更多。反應(yīng)在還原反應(yīng)器(反應(yīng)彈)中進行，還原反應(yīng)器具有鋼制外殼，內(nèi)部用高純耐火材料氟化鈣或氟化鎂作襯里。將四氟化鈾粉末和鈣屑或鎂屑均勻混合后裝入反應(yīng)彈。用鈣還原時在彈內(nèi)加熱或點火，用鎂還原需把反應(yīng)彈放人電爐中加熱，使物料溫度達到600一700。反應(yīng)一旦開始就迅速自發(fā)進行，在很短的時間內(nèi)即可完成。此時彈內(nèi)溫度超過鈾的熔點，達到1600以上。熔化的金屬鈾聚集在反應(yīng)彈的底部，氟化鈣或氟化鎂形成熔渣浮在金屬表面。冷卻后洗去熔渣，再用酸洗和噴砂清理表面得到粗鈾錠。粗鈾錠可直接應(yīng)用，也可在真空感應(yīng)爐中進一步純化后再使用。鈣熱還原的規(guī)?？梢愿鶕?jù)

15、需要從幾公斤、幾十公斤、幾百公斤直到上噸級。直徑0.3一0.4m，高1m的反應(yīng)彈，每次可制備約100kg的粗鈾錠。大型反應(yīng)彈的生產(chǎn)能為可達1t以上。在通常情況下，反應(yīng)彈可反復(fù)使用150次。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán) 用離子交換法提取鈾一般用陰離子交換樹脂，因為不論是用酸法浸出還是用堿法浸出，都可以在浸出液中形成鈾的陰離子，但作為雜質(zhì)的金屬不易形成陰離子，因而可以通過陰離子交換選擇性地吸附鈾。用于鈾水冶廠的典型陰離子交換樹脂是強堿性的季銨型樹脂。 20世紀40年代，人們升始研究用離子交換法提取和濃縮鈾。1952年以后，許多鈾水冶廠采用離子交換法處理蝕浸出液，這是由于離子

16、交換池的選擇性好，能得到純度較高的鈾濃縮液，離子交換樹脂可以循環(huán)使用，試劑消耗量較小，并能從礦漿中提取鈾。但是離子交換法存在著生產(chǎn)速度侵，樹脂對鈾的吸附容量小，不便連續(xù)操作等缺點。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán) 8.5溶劑萃取法 溶劑萃取又叫作液-液萃取，簡稱萃取。它是使不互溶或基本上不互溶的兩個液相互相接觸，利用各組分在兩該相間不同的分配關(guān)系，使組分從一濃相傳入另一液相，從而實現(xiàn)組分間分離的過程。 需要進行分離處理的液相稱為原料液或料液，另一個液相稱為溶劑。經(jīng)過兩相充分接觸后，原料液中的溶質(zhì)分配在兩相中達到平衡，這種極限情況叫做一個理論級。而后使兩相分離開來，料液成為萃

17、余液，溶劑成為萃取液。一般情況下，料掖是水溶液，稱為水相，溶劑是有機物，稱有機相。純的溶劑叫萃取劑，萃取后的溶劑叫萃取液。 在通過萃取實現(xiàn)了組分的分離后，為了回收進入萃取劑中的組分，需要用與萃取劑不互溶的另一液相與其接觸，使組分進入該液相，這個過程叫作反萃取，簡稱反萃。進行反萃的另一液相就叫反萃液。有時在反萃前還要用純水或酸、堿、鹽的水溶液對萃取別處理一下，這個過程叫做洗滌。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)第二章：核燃料與核燃料循環(huán) 鈾的精制方法：采用干法和濕法。 干法為美國阿貢國立實驗室開發(fā)的無水氟化物揮發(fā)法，即將鈾濃縮物直接氟化，然后再將得到的六氟化鈾進行純化，就可得到核純產(chǎn)品。 一般都采用經(jīng)典的濕法處理，包括化學(xué)沉淀法、離子交換法和溶劑萃取法等。 目前多采用溶劑萃取法。萃取法的優(yōu)點是選擇性好，回收率高，設(shè)備簡單且容易實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)和自動化?？墒褂玫妮腿┯卸颐?，甲基異丁酮和磷酸三丁酯(TBP)。 將鈾化學(xué)濃縮物用鋼筒由水冶廠運抵轉(zhuǎn)化廠，先把鈾的化學(xué)濃縮物溶解于硝酸中，經(jīng)過濾后，用磷酸三丁酯進行萃取分離，再用1的硝酸溶液或蒸餾水反萃得到高純度、高濃度的硝酸鈾酰溶液，硝酸鈾酰濃度一般為100一300g/L，硝酸濃度為0.05mol/L左右。 將硝酸鋼酰通過加熱脫硝轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物三氧化鈾，分為兩步進行。先將硝酸鈾酰溶液加熱蒸發(fā)結(jié)晶，冷卻至室溫，得到黃色晶體硝酸鈾酰六水合物UO2(