核燃料循環(huán)第一章

1、核燃料循環(huán)第一章核燃料循環(huán)第二章核燃料循環(huán)前段第三章燃料在反應(yīng)堆的輻照第四章 錒系元素及裂變產(chǎn)物元素過程化學(xué)第五章核燃料后處理第六章先進燃料循環(huán)/ 核燃料一核燃料循環(huán)一核燃料后處理) X/ I第一章核燃料循環(huán)幾千年來人類一直在為擴大能源、提高自己駕驅(qū)自然界的能力而奮斗。在 掌握原子能以前，人類利用的幾乎一切能源，只涉及分子或原子的重新組合， 不涉及原子核部結(jié)構(gòu)的變化。人類到 20世紀初才逐步認識原子核。人為地促 使原子核部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，釋放出其中蘊藏的巨大能量并加以利用，是20世紀40年代才實現(xiàn)的，這就是原子能工業(yè)的開端。當(dāng)核能進入人們的生產(chǎn)和生 活后，一種通過原子核變化而產(chǎn)生的新能源從此誕生

2、。就全球圍來說，能源是維持人類生存和發(fā)展的必要條件。特別是對于發(fā)展 中國家，要提高人民的生活水平，除了國外的和平環(huán)境外，教育、衛(wèi)生、農(nóng) 業(yè)的發(fā)展和工業(yè)化的實現(xiàn)，均有賴于足夠的能源供應(yīng)，尤其是電力供應(yīng)。表 各國人均一次能源消耗（2003年，單位：人均噸當(dāng)量油）石油天然氣煤核電水電Total En ergy世界0.5770.3700.4090.0950.0941.545美國3.1211.9351.9590.6210.2087.844日本1.9470.5390.8780.4090.1793.952德國1.5170.9331.0560.4520.0694.027英國1.2911.4410.6580.3

3、380.0253.753法國1.5660.6550.2061.6590.2474.333國2.2150.5071.0710.6140.0364.443中國0.2130.0230.6190.0080.0490.912當(dāng)前，世界上的主要能源是煤、石油、天然氣這些化石燃料，化石燃料不 是可再生能源，用掉一點兒就少一點兒。燃燒化石燃料向大氣排放大量的“溫 室氣體”二氧化碳、形成酸雨的二氧化硫和氮的氧化物，并排放大量的煙塵，這些有害的物質(zhì)對環(huán)境造成了嚴重的破壞。核能不產(chǎn)生這些有害物質(zhì)。1987年，世界衛(wèi)生組織總干事布倫特蘭領(lǐng)導(dǎo)的世界環(huán)境和發(fā)展委員會提出了“可 持續(xù)發(fā)展”的概念。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，人類迫

4、切地需要新的替代能源。在開發(fā)新型能源時，人們往往首先想到除水力資源外的可再生能源，如太陽 能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能等等。但是這些可再生能源的能量過于分散、間 斷性，難以收集，因受多種條件限制，只能在一定條件下有限的開發(fā)，很難 大量利用，估計每種能源在總能源利用中很難超過 1%。盡管太陽能是一種清 潔的、可再生能源，但由于它的能流密度太低，在單位面積上得到的能量很 小，一座1000MW勺太陽能電站，為吸取太陽能的地面面積大約是108m,要把這樣大面積的太陽能收取和集中到發(fā)電站來所需的技術(shù)措施和經(jīng)濟代價都是 難以接受的。所以，在可預(yù)見的將來，這些可再生能源很難具有競爭性。據(jù)推測，在今后20年里，這

5、些可再生能源占世界的發(fā)電份額仍將低于3%基于這一事實，世界能源委員會還是將注意力轉(zhuǎn)向了核能。因此，目前唯一達到工業(yè)應(yīng)用、可以大規(guī)模替代化石燃料的能源，就是核能北美North Arrerica南美South Ai'nerica歐洲Europe非洲Africa俄羅斯Russia亞洲Asia:東亞East AsjaS亞West Asia核能的開發(fā)利用是人類最終解決能源需求的希望。利用核能發(fā)電是核能 和平利用的最重要方面，也是解決某些國家和地區(qū)當(dāng)前能源短缺的現(xiàn)實途徑。 從1954年6月前聯(lián)奧布寧斯克核電站0.5萬千瓦核電機組并網(wǎng)發(fā)電，建立了 世界上第一座核電站，人類首次實現(xiàn)了核能的和平利用開始

6、，許多國家和地 區(qū)都相繼制定了發(fā)展核電的規(guī)劃。1970年世界上有核電國家14個，核電機組 99個，裝機容量1. 5億千瓦。從此核電與水電平分秋色，與火電一起成為世 界電力供應(yīng)的三大支柱。截止至 2008年底，全世界31個國家共運行439座 反應(yīng)堆，總裝機容量372GW約占世界發(fā)電總量的17%。（全球核電站分布） 核電發(fā)展階段：（1）實驗示階段（1946-1965年）軍事應(yīng)用的成功探索了幾乎所有堆型（2）高速推廣階段（1966-1980年）石油消費大增，對石油依賴的擔(dān)憂核電技術(shù)的發(fā)展（3）滯緩發(fā)展階段（1980-）原油危機，各國經(jīng)濟發(fā)展減緩，能源需求下降對核電經(jīng)濟性的樂觀估計兩次核事故我國核電起

7、步較晚，其核電發(fā)展計劃始于1970年，1985年3月山核電站開工建設(shè)、1991年12月15日首次并網(wǎng)發(fā)電，結(jié)束了中國大陸無核電的歷史， 并一舉成為世界上第七個具備自主設(shè)計、自主建設(shè)、自主調(diào)試、自主運行管 理核電廠的國家。1994年大亞灣從法國引進的兩臺90萬千瓦核電機組投入運 行。九五期間我國核電發(fā)展進入了高速發(fā)展時期，嶺澳、山二、三期、 田灣等8座核電機組相繼開工建設(shè)。預(yù)定到 2005年前后我國將有11臺核電 機組投入運行，裝機容量達 870萬千瓦。國家發(fā)改委規(guī)劃到2020年將建成核 電總裝機容量4000萬千瓦？，從而使我國核電的裝機容量占全國電力總裝機 容量的比例由2000年的1%上升到4

8、%左右。（福島事故的影響）截止到2009年，我國大陸共運行11臺核電機組（9.1GWe ），已開工建設(shè)的核電站裝機約11.3GWe已批準建設(shè)的核電站裝機約 23.9Gwe,總裝機容量 44.3GW核電站計劃容量一期開工時間三門6 X 1 GWe2004.9嶺澳二期2 X 1 GWe2005.126X 1 GWe2006山二期2 X 0.6 GWe2006紅沿河6 X 1 GWe2007.86X 1 GWe2008.2海陽6 X 1 GWe2008.9方家山2 X 1 GWe2008.11福清6 X 1 GWe2008.11澤8X 1 GWe2009桃花江6 X 1 GWe2010大畈4 X 1

9、 GWe2010我國核能發(fā)展的方針將堅持 熱堆（壓水堆）一快堆一聚變堆 的路線。按照 我國核工業(yè)目前的技術(shù)狀況，我國由熱堆向快堆的過渡很難超越國際上的發(fā) 展進程，如果我國2020年、2030年的核電裝機容量分別達到 40 GWe 60 GWe 的話，則上述裝機容量的核電站將全部采用熱堆，可以設(shè)想在今后50年，熱堆電站可能仍將是全世界核電的主體，并在2050年之后繼續(xù)發(fā)揮重要作用。如果我國快堆技術(shù)發(fā)展順利，則2020年有望建成原型快堆，2035年有可能開 始進入核能市場并在2050年前后得到穩(wěn)步發(fā)展，到本世紀末快堆核能系統(tǒng)有 可能成為我國核電主力。而通過核聚變反應(yīng)獲得巨大能量可謂本世紀人類的 最

10、大夢想：人造太陽。如果可控?zé)岷朔磻?yīng)研究取得成功，人類將能利用海水 中的重氫獲得無限豐富的能源，它是未來解決世界能源和環(huán)境問題最重要的 途徑之一，對發(fā)展中國家和地區(qū)具有特別重要的意義。40年來，我國先后建成中國環(huán)流器一號、中國環(huán)流器新一號、“二號A”和EAST全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克實驗裝置等意味著在下個世紀中國人造太陽將橫空出世!核能的開發(fā)、利用要有核燃料的支撐，核能的持續(xù)發(fā)展更需要把核燃料不 斷循環(huán)起來，使未燃盡燃料得到充分利用，使新生成的核燃料得以有效利用， 使其它有價核素得以廣泛應(yīng)用。地球上蘊藏著數(shù)量可觀的鈾、釷等核裂變?nèi)?料資源，如果把它們的裂變能充分利用起來，可滿足人類上千年能源需求。

11、1.1核能的來源和利用核能：一些化學(xué)元素的原子核轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪恍┰氐脑雍藭r，所放出的能 量稱為原子能?；蛘吒_切一些稱之為原子核能?；蚨x為原子核中的核子重新分配時釋放出來的能量。核能的來源帶負電的電子帶正電的原子核原子由帶正電的原子核和環(huán)繞它回轉(zhuǎn)的若干 外圍電子所組成。?在正常的中性原子中，外圍電子數(shù)正好等于該元素在元素周期表中的 原子 序數(shù)乙它決定了該元素的化學(xué)性質(zhì)和大部分物理性質(zhì)。? 原子核（atomic nucleus ）是原子的中心部分，為原子直徑的10-4，但其質(zhì)量卻占整個原子質(zhì)量的99.9%以上；原子核由N個中子+Z個質(zhì)子=A個核 子所構(gòu)成，質(zhì)子帶正電，每個質(zhì)子所帶的電量同一個電

12、子的電量e相等，符號相反。中子不帶電。?質(zhì)子（proton ）是帶正電荷的核子，也是最輕化學(xué)元素氫原子核。到目前為止的實驗表明，質(zhì)子是穩(wěn)定粒子。?中子（neutron ）是不帶凈電荷的核子，也是構(gòu)成原子核的重要組元子的質(zhì)量同質(zhì)子的質(zhì)量很相近，分別為電子質(zhì)量的1839倍和1836倍沒有中子參與，兩個或兩個以上的質(zhì)子不可能穩(wěn)定地存在于原子核部。中子的靜止質(zhì)量為1.0086649U，略大于氫原子的質(zhì)量1.0078250U。自由中子是不穩(wěn)定的，它能自發(fā)地轉(zhuǎn)變成一個 質(zhì)子，一個電子（稱B粒子） 和一個電子反中微子，并釋放出0.782MeV的能量。其半衰期為 614.6 士 1.3s。?質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核

13、子。原子核中的質(zhì)子數(shù)必然等于原子序數(shù)，因為在中 性原子中，原子核所帶的正電荷Z -e應(yīng)與全部外圍電子所帶的負電荷 Z -e 相互抵消。由于原子的質(zhì)量幾乎全部集中于原子核中，核子數(shù)又稱為質(zhì)量數(shù)，它是同該原子的原子量最相近的整數(shù)。具有相同的質(zhì)子數(shù)Z和不同的中子數(shù)N的原子，叫做同位素。?同一元素的幾種同位素，用化學(xué)方法無法區(qū)分，但可利用質(zhì)譜儀可測出它們的不同質(zhì)量。?我們用Ax這樣的符號來表示原子序數(shù) Z和質(zhì)量數(shù)A的某種同位素，X是元 素的化學(xué)符號。由于每一種元素的原子序數(shù)是一定的，下標Z常可略去。?具有一定的原子序數(shù)Z和質(zhì)量數(shù)A的某種原子，又稱為 核素。最輕的氫原子核 泊僅有一個質(zhì)子。（氕）（氕是氫

14、的同位素之一，是氫的主要成份，普通氫中含有99.98%的氕）?它的同位素重氫（又叫氘）的原子核1 H（或D）由一個質(zhì)子和一個中子構(gòu)成。?同位素超重氫（又叫氚）的原子核1 H（或T）含有一個質(zhì)子和兩個中子。氚核 是不穩(wěn)定的，就是說，它是一種放射性同位素。氚原子核不斷地放射出電 子，同時以12.3年的半衰期衰變?yōu)榱硪环N原子核（氦核）。般地說，僅當(dāng) 中子與質(zhì)子的數(shù)目之比值（N:Z）在一定圍時，原子核才穩(wěn)?這比值對于輕原子核接近于1，但它隨著原子序數(shù)的增加而逐漸加大，對 于最重的穩(wěn)定核達到大約1.5。?凡質(zhì)子或中子過多的原子核，皆不穩(wěn)定，即帶有放射性。在已知的大約2700 種核素中，有300多種是穩(wěn)定

15、的，其余都是放射性的。原子序數(shù)Z>83的天然存在的元素，由于核質(zhì)子數(shù)太多，靜電斥力太大，沒有穩(wěn)定同位素，都具有放射性。（Po,釙Z=84）鈾的常見同位素29；u和292u，也都是不穩(wěn)定的。?它們都不斷地衰變，只不過衰變率很低，半衰期分別為7億年和45億年，同地球的年齡約46億年相比，不算很短，所以地球上尚見其存在。?比鈾更重的元素（超鈾元素），一般地說，沒有這樣長壽命的同位素，因此 在地球上沒有天然的存在。?但例外情況有29：Pu，它的半衰期為0.83億年，在地球上尚有微量存在。 據(jù)說遠在18億年前，至少有6座天然反應(yīng)堆斷斷續(xù)續(xù)地運行了幾十萬年。 化學(xué)反應(yīng)中釋放的能量，主要起源于將原子保

16、持在分子中的力，而這種力 僅同原子的外圍電子結(jié)構(gòu)相關(guān)。?當(dāng)兩個以上原子組成分子時，各原子的電子云會發(fā)生變形，把合攏在一塊的所有原子核籠罩在。?由于化合物的分子的能量總是低于它所包含的各原子的能量之和，所以這 外圍電子重新組合的過程會放出能量來，這就是 化學(xué)結(jié)合能。?但這種靠化學(xué)反應(yīng)中原子間的電子交換來獲得的化學(xué)能的能量是很小的。例如煤或石油燃燒時，每個碳或氫原子與氧結(jié)合成二氧化碳或水的過程,只能釋放出來幾個或十幾個eV能量。與此類似，原子能起源于將核子保持在原子核中的很強的作用力，叫做核力，它能克服質(zhì)子之間的靜電斥力，把各核子凝聚在一起。?當(dāng)質(zhì)子和中子組織成原子核時，像在化學(xué)反應(yīng)中一樣，也會放

17、出能量，這 就是核結(jié)合能。?這種核結(jié)合能比化學(xué)結(jié)合能要大得多。例如每一個鈾原子核裂變時，就能釋放出200MeV能量。? 原子核的能量總是低于它所有質(zhì)子和中子的能量之和。按照愛因斯坦(Einstein)的能量E與質(zhì)量m相互聯(lián)系的規(guī)律：E=mc式中E以J計；m以kg計；c=3x 108 m/s是真空中的光速。這一公式表明少量的質(zhì)量能轉(zhuǎn)換為十分巨大的能量，它揭示了核能來源的物理基礎(chǔ)。?由于原子核的質(zhì)量總是小于它所有質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和，我們可從這質(zhì)量虧損算出核結(jié)合能。?核力比原子核同外圍電子的相互作用力要強大得多，核反應(yīng)中釋放的能量，就參與反應(yīng)的同等質(zhì)量的物質(zhì)而言，要比化學(xué)反應(yīng)中釋放的化學(xué)能大幾百萬

18、倍。例如1kg煤燃燒釋放的能量約為8 kW- h,而1kg 235U裂變消 耗釋放的能量達到19,500,000 kWh。等量的核聚變?nèi)剂?氘和氚)釋放 出來的聚變能，比裂變能又要大4-5倍。?各種原子核結(jié)合的緊密程度是不一樣的。我們之所以可能利用核能，就是因為一些原子核結(jié)合得比其它原子核更緊密些。?原子核結(jié)合的緊密程度，用結(jié)合能除以核子數(shù)A得出的核子平均結(jié)合能來 表示。中等質(zhì)量的原子核結(jié)合得最緊，平均結(jié)合能最大；較重的和較輕的 原子核的平均結(jié)合能都略為減小。?如果一個重核，例如質(zhì)量數(shù)為 235的鈾原子核分裂兩部分，那么生成的兩 個較輕核的結(jié)合能之和就會大于原來鈾核的結(jié)合能。將前后平均結(jié)合能之

19、 差乘以兩個較輕核的核子總數(shù)，即得出裂變過程釋放的能量。?另一方面，兩個輕核合成一個較重核的聚合過程，由于核子在這個較重核 中，結(jié)合得更緊了，也會釋放出能量來。例如，氘核、氚核和4He核的平均結(jié)合能分別為1.1、2.8和7.1 MeV由氘核與氚核聚合成氦-4核的聚變 過程，將釋放出 4X 7.1 -（2 X 1.1+3 X 2.8）17.6 MeV的能量。?因此，核能分為兩類，一類稱 裂變能，它是指重元素（如鈾或钚等）的原 子核分裂時釋放出來的能量。另一類叫聚變能，它是指輕元素（如氘和氚） 的原子核發(fā)生聚變反應(yīng)時釋放出來的能量。?重核的裂變一般地要靠中子來激發(fā)。就是說，當(dāng)吸收一個中子所獲得的結(jié)

20、 合能連同該中子的動能足以打破原來的核平衡時，重核才會分裂。?在這里，各種核素的情況有所不同：對 質(zhì)子數(shù)Z為偶數(shù)，中子數(shù)N為奇數(shù) 的鈾-235核吸收動能不大的慢中子便很容易分裂； 而對于Z和N均為偶數(shù) 的鈾-238核，僅當(dāng)中子的能量大于一定的閾值時，才能引起核裂變。這是 因為鈾-238核裂變所需能量超過了一個中子的結(jié)合能， 須靠中子動能來補 足。核裂變能是通過核裂變反應(yīng)獲得的。目前，世界上已經(jīng)成功地利用核裂變 能建造核電站，并已達到工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用。核電已經(jīng)達到技術(shù)成熟、經(jīng)濟 實惠、安全可靠的商用階段，受到世界各國的普遍重視。核聚變能是通過氘-氚等輕核的聚變反應(yīng)獲得的。核聚變反應(yīng)必須在幾千萬度以

21、上的高溫和一定的等離子體密度條件下方能實現(xiàn)。目前，各國科學(xué)家正在努力向最終目標前進，并取得了可喜的成果。核能的開發(fā)利用是人類最終解決能源需求的希望。地球上蘊藏著數(shù)量可觀 的鈾、釷等核裂變?nèi)剂腺Y源，如果把它們的裂變能充分利用起來，可滿足 人類上千年能源需求。海水中含有3.5 x 1013t氘，如果將聚變能充分利用起來，可滿足人類上百 億年的能源需求。核能是軍、民兩用的能源，它既可用于軍事目的、也可用于和平目的。核 能的利用大致包括以下三個方面。1.1.2核能的利用1.121 核動力(1) 發(fā)電電力是現(xiàn)代生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，是衡量生活水平和工業(yè)化程度的重要標志。在原子能對經(jīng)濟發(fā)展的貢獻中，以利用反應(yīng)堆

22、的熱能來發(fā)電，即核能的和平利用最為重要；同時也是解決某些國家當(dāng)前能源短缺的現(xiàn)實途徑。核電廠比常規(guī)火電廠的主要優(yōu)點是：能量高度集中，燃料費用低廉，使核電具有經(jīng)濟競爭力。1kg235U或239Pu提供的熱量在理論上相當(dāng)于約 2300t無煙煤，在現(xiàn)階段的實際應(yīng)用中，1kg天然鈾可代替2040t煤，因而大大節(jié)省燃料的費用。在每 kW- h的發(fā)電成本中，核電的燃料費僅占1/4不到，煤電的燃料費占40%60% 氣電的燃料費占60%75%因此核電的經(jīng)濟性不像火電那樣易受燃料價格(波動)的影響；因數(shù)量小而不受燃料運輸或貯存的限制。在一些幅員廣袤而煤炭分布不均勻的國家中遠離煤田的地區(qū)，燃煤電廠的發(fā)展已受到鐵路運

23、輸容量的嚴重 限制，而核電廠無此問題。對于一些靠外部供應(yīng)化石燃料的國家，核燃料 的易于貯存大大有助于避免和緩解燃料供應(yīng)危機；污染環(huán)境較輕。核電廠日常運行的放射性廢氣與廢液的排放量很小，且處 于嚴密的監(jiān)督和控制之下，周圍居民由此受到的輻射劑量小于來自天然本 底的1%而大量釋放出放射性物質(zhì)的嚴重事故，則發(fā)生的幾率極低；核電 廠不向外排放CO SO, NQ等有害氣體和固體塵粒，也不排放 CO等溫室 氣體，而CQ涉及全球氣候變暖問題，已成為當(dāng)今國際關(guān)注的重點； 替換出的有機燃料，可更加合理地利用。煤、石油和天然氣是塑料、制藥、 染料、合成氨、合成纖維、合成橡膠等有機化學(xué)工業(yè)的寶貴原料，在自然 界中的儲

24、量有限，目前還沒有旁的東西能夠代替它們。在當(dāng)今的世界能源結(jié)構(gòu)中，各種能源所占份額分別為石油39%煤24%天然氣22%水力6.9%、核能6.3%以及其他少量可再生能源。我國以燃煤為 主，1998年我國煤電所占份額高達73%且不說大量化石燃料的使用所造成 的嚴重環(huán)境污染和溫室效應(yīng)，而對化石能源供應(yīng)的持久時間已屈指可數(shù)了。 根據(jù)地球上已探明石油、天然氣、和煤的儲量，按目前的利用水平計，可分 別持續(xù)42年、62年和224年。也就是說，在地殼中沉睡了若干億年的化石 燃料，被人類燃燒了幾百年就消耗殆盡。由于化石燃料的可利用時間不會持 續(xù)很久，以化石燃料為主的世界能源結(jié)構(gòu)將在今后的幾十年里有所變化。為 了滿

25、足人類不斷增長的能源需求，必須開發(fā)可持續(xù)利用的能源。在開發(fā)新型能源時，人們往往首先想到除水力資源外的可再生能源，如 太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等等。但是這些可再生能源的能量過于分散，難以收集，且太陽能、風(fēng)能都是間斷性的，所以，在可預(yù)見的將來，這 些可再生能源很難具有競爭性。據(jù)推測，在今后20年里，這些可再生能源占世界的發(fā)電份額仍將低于3%基于這一事實，世界能源委員會還是將注意 力轉(zhuǎn)向了核能。利用核能發(fā)電是核能和平利用的最重要方面，也是解決某些國家和地區(qū) 當(dāng)前能源短缺的現(xiàn)實途徑。核電與水電平分秋色，與火電一起成為世界電力 供應(yīng)的三大支柱。此外，用核裂變熱能通過熱電轉(zhuǎn)換方式，為運行于外層空間的

26、空間飛行 器、太空基地（如月球基地、火星基地等）提供電力和向地面輸送電力的核 電站稱為空間核電站。為空間飛行器提供電力的核電站也稱為空間核電源系 統(tǒng)。空間核電源一般具有功率大（從數(shù)百瓦到兆瓦級）、體積小、重量輕、壽命長、可靠性高、抗電磁波干擾和耐輻射能力強、不受航天器所處軌道位 置及方向的影響等獨特的優(yōu)勢。空間反應(yīng)堆可采用以高富集鈾為燃料、氫化 鋯為慢化劑、鈹為反射層的熱中子或超熱中子堆，也可米用快中子堆，用液 態(tài)金屬鋰或鈉鉀合金作為冷卻劑，通過熱電能量轉(zhuǎn)換器把裂變熱能轉(zhuǎn)換成電 能。熱電能量轉(zhuǎn)換方式有靜態(tài)的熱電偶轉(zhuǎn)換器和熱電子轉(zhuǎn)換器，及動態(tài)的蒸 汽或氣體透平發(fā)電機等。靜態(tài)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)比較成熟，

27、但熱電偶轉(zhuǎn)換器的能 量轉(zhuǎn)換效率較低，不到5%而熱電子轉(zhuǎn)換效率可達10%r右，是目前最有吸 引力的熱電轉(zhuǎn)換方式。（2）推進動力將反應(yīng)堆的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，可用作為運輸工具的推進動力。目前核潛艇在使用核動力推進方面已取得了很大的成功，其他應(yīng)用核動力推進的實例 還有核動力航空母艦、核動力破冰船等。作為空間核推進裝置是利用核能作為航天器推進初級能源的核動力裝置。 航天器的核能推進方式可分為核電推進（電火箭）和核熱推進（核火箭）兩 種。核電推進裝置是將從核能轉(zhuǎn)換的電能提供給電火箭，使推進劑（例如汞或 氙）電離、加速，成為等離子態(tài)的推進劑以高速排出噴管，產(chǎn)生推力。電 火箭具有高比沖、小推力、長壽命、高精度

28、、高可靠性的特點，適用于各 種航天器的位置保持、姿態(tài)控制、軌道修正（輔助推進）以及星際航行、 星際探索、軌道轉(zhuǎn)移（主推進）等用途。利用電火箭將航天器從低的地球 軌道轉(zhuǎn)移到高地球軌道，比用運載火箭直接發(fā)射，可把有效載荷的質(zhì)量提 高幾倍到幾十倍。用于偵察衛(wèi)星或空間武器的變軌，在軍事上更具有重要 意義。根據(jù)分析，要實現(xiàn)衛(wèi)星變軌，需要幾十千瓦以上大功率的空間電源。 核電推進裝置的開發(fā)難度大，要求同時進行空間核反應(yīng)堆和電火箭的研 究、設(shè)計和試驗?？捎玫暮朔磻?yīng)堆有熱離子反應(yīng)堆和脈沖堆。核熱推進裝置即核火箭發(fā)動機，是用核反應(yīng)堆取代液體燃料火箭發(fā)動機燃 燒室，用核能取代化學(xué)能，將推進劑（氫、氦或氮）加熱至極高

29、溫度，經(jīng) 排氣噴管高速排出，產(chǎn)生很大的推動力，能把幾十噸重的載荷送入地球軌 道。核火箭發(fā)動機的比沖量很高，能大大減少推進劑用量。核火箭適用于 星際航行，如載人火星探索等。但其實現(xiàn)尚需較長時間。美、俄兩國正在 合作研制這類推進裝置。（3）供熱利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量直接供熱，應(yīng)當(dāng)有十分廣闊的市場，目前遠未充 分開發(fā)。核能的低溫供熱（V200C）的主要用戶是居民用熱水暖氣、海水淡 化、造紙、制糖、水產(chǎn)業(yè)等； 中溫供熱（200500 C ）主要供應(yīng)紡織工業(yè)等; 高溫供熱（500C ）的可能用戶有石油開采和煉制、煤的氣化和液化、化工、 冶金、制氫等。核能供熱的優(yōu)點類似于核能發(fā)電，即燃料運輸量小、在一定條

30、件下供熱成 本相對地低、對環(huán)境污染小。利用核反應(yīng)堆直接給工業(yè)提供熱能已經(jīng)實現(xiàn)。 但是，反應(yīng)堆供熱的溫度受到冷卻劑溫度的限制，因而核能的這種應(yīng)用方式 主要用于低溫供熱的場合。海水淡化在一些缺水地區(qū)也已經(jīng)實現(xiàn)，并很有推 廣應(yīng)用的前景。1.122 核武器核武器亦原子武器，又稱為核彈。核武器是利用某些重元素（如鈾和钚）的原子核裂變或輕元素（氘和氚） 的原子核聚變反應(yīng)，在極短時間釋放出巨大能量形成爆炸的一種大規(guī)模殺傷、 破壞性武器。核反應(yīng)釋放的能量一般比化學(xué)反應(yīng)大幾百萬倍，因此核武器的 威力要比常規(guī)炸彈大的多。現(xiàn)今的核彈，其威力可從幾十噸TNT當(dāng)量直至幾千萬噸TNT當(dāng)量。核武器爆炸的殺傷因素除了沖擊波和

31、光輻射（比常炸藥的 沖擊波和光輻射強得多）以外，還有由于核反應(yīng)形成的、常規(guī)爆炸所沒有的 殺傷破壞因素：貫穿輻射、放射性污染和電磁脈沖等。核武器爆炸的殺傷破壞效應(yīng)取決于爆炸方法、威力大小、及核武器的特性。目前的核武器從設(shè)計的原理上主要可分為 原子彈和氫彈兩類。從作戰(zhàn)使用 上可分為戰(zhàn)略核武器和戰(zhàn)術(shù)核武器，其中戰(zhàn)術(shù)核武器也有稱戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)核武器 和戰(zhàn)區(qū)核武器。一般的核武器系統(tǒng)包括核彈（火箭的核戰(zhàn)斗部件、核魚雷、 深水核炸彈、核炮彈和核航彈等）、投射工具（導(dǎo)彈、轟炸機、大炮）和操縱 設(shè)備。一般認為，具有一定核工業(yè)科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)以及經(jīng)濟實力的國家都有可能掌 握原子彈或氫彈技術(shù)。特別是誰擁有核燃料后處理技術(shù)，誰

32、就有可能掌握原 子彈或氫彈。目前世界上擁有核武器的國家有美國、俄羅斯、英國、法國、 中國和印度，還有一些國家在為擁有核武器而努力。當(dāng)今，核武器最多的國 家是美國、俄羅斯。它們的核武器不僅數(shù)量大，而且花樣多，各軍兵種都相 應(yīng)地裝備了不同類型的核武器（如導(dǎo)彈、航彈、巡航導(dǎo)彈、大炮、魚雷、地 雷、水雷等）。核武器試驗亦稱核試驗。為了研究和考驗核武器設(shè)計的新原理，提高核武 器性能，判定核武器質(zhì)量，了解核武器殺傷效應(yīng)，保證核武器可靠與安全等 都要進行核武器試驗。1.123 輻射能源放射性核素輻射能量的應(yīng)用也是核能利用的重要方面。這種能量雖然不大，但長壽命核素的放射性能經(jīng)久不衰（衰減緩慢），用它可制成小巧

33、而可靠 耐用的能源。例如利用90Sr （半衰期28年）、238Pu （半衰期88年）等長壽命 放射性同位素衰變釋放的熱能，通過熱電偶轉(zhuǎn)換成電能。這種電源尺寸小、 重量輕、壽命長，已廣泛應(yīng)用于地球軌道通信衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、 海洋燈塔、海底開發(fā)和宇宙飛船等。但功率較?。?.12kW,長壽命同位素 的供應(yīng)比較困難，價格昂貴。某些核素制成的核電池還可用作人工心臟起搏1.2核燃料核燃料：含有易裂變核素，能夠在反應(yīng)堆實現(xiàn)自持鏈式核裂變反應(yīng)的物質(zhì) 叫做核燃料。它主要由易裂變核素和可轉(zhuǎn)換核素兩種成分組成。易裂變核素：是指能與慢中子作用而產(chǎn)生裂變的核素。通常又把含有一種或幾種易裂變核素并在適當(dāng)條件下能達

34、到臨界的材料稱為易裂變材料。主要 易裂變核素有235U 239Pu和233U, 241Pu也具有良好的裂變性能。可轉(zhuǎn)換核素：是指俘獲中子后能直接或間接地轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢炎兒怂氐暮怂赝ǔＳ职押幸环N或幾種可轉(zhuǎn)換核素的材料稱為可轉(zhuǎn)換材料。主要的可轉(zhuǎn)換 核素有238U和232Th, 240Pu和234U也能起可轉(zhuǎn)換核素的作用?？赊D(zhuǎn)換核素本身雖 不易為慢中子所分裂，但因它們能在吸收中子后轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢炎兒怂?，所以?然鈾（ 238U占99.274%）和天然釷（ 232Th）乃是最基礎(chǔ)的核燃料。天然鈾是目前最主要的核燃料來源，它既可直接用作生產(chǎn)堆和重水型動力 堆的燃料，也可通過同位素分離獲得用途更廣泛的濃縮鈾。核

35、燃料的核性質(zhì)1.衰變特性：上述所有易裂變核素和可轉(zhuǎn)換核素都是放射性核素。它們的 衰變特性列于表1-1。表1-1核燃料的衰變特性核素衰變方式半衰期，a粒子能量，MeV232Tha1.4 X 10104.012233Ua1.58 X 1054.824234Ua2.47 X 1054.772235Ua7.1 X 1084.598238Ua4.51 X 1094.196239Pua2.44 X 1045.130240Pua36.6 X 105.200241PuB 一11.43 X 100.0212.核性質(zhì)：慢中子與幾種易裂變核素作用產(chǎn)生核反應(yīng)的特性數(shù)據(jù)匯集于表1-2表1-2易裂變核素的一些核性質(zhì)核性質(zhì)

36、233235239241UUPuPu*裂變截面（T ? , b531.1582.2742.51009俘獲截面cy, b47.798.6268.8368吸收截面c a , b578.8680.81011.31377a = c y / c ? （a為俘獲裂變比）0.08980.1690.3620.3647每次裂變產(chǎn)生的中子數(shù) V2.4922.4182.8712.927每吸收一個中子所產(chǎn)生的中子數(shù)n2.2872.0682.1082.145典型輕水堆的n值2.21.961.86-*熱中子的速度為 2200 m/s，能量為0.0253 eV* b 截面單位，1b=10-28 vm從表1-2可見，易裂變核

37、素每吸收一個中子產(chǎn)生的中子數(shù)，小于每次裂變產(chǎn)生的中子數(shù)，這是由于有的中子被吸收后產(chǎn)生了較重的同位素234u 236u240Pu,而不是引起裂變。各種燃料每吸收一個中子所產(chǎn)生的中子數(shù)大于1.0，這表明它們都能維持核鏈鎖反應(yīng)，比保持核鏈鎖反應(yīng)所需要的中子多出的中子可用于生產(chǎn)新的有 用的同位素。如由238U生產(chǎn)239Pu,由232Th生產(chǎn)233U這種由可轉(zhuǎn)換核素238U 232Th轉(zhuǎn)換生產(chǎn)新的有用的同位素239Pu、233U的過程稱為燃料轉(zhuǎn)換。通常用燃 料轉(zhuǎn)換比CR來描述轉(zhuǎn)換效率，它定義為反應(yīng)堆中每消耗一個易裂變核素原子 所產(chǎn)生的新的易裂變核素原子數(shù)。在目前采用的低富集度鈾的輕水熱中子反應(yīng)堆，CR約

38、為0.6。當(dāng)易裂變核素吸收一個中子，產(chǎn)生的中子數(shù)大于2.0時，從理論上講，易裂變材料的產(chǎn)生速度就可大于其消耗速度。一個中子用以維持鏈式反應(yīng)，第二個中子用以生產(chǎn)易裂變材料的新原子而代替被第一個中子消耗掉的原子， 這一過程稱增殖。也就是說，易裂變核每吸收一個中子產(chǎn)生n個有效裂變中子，為了維持鏈式反應(yīng)至少必須消耗一個中子，因此最多只有（n -1 ）個中 子可以用來實現(xiàn)燃料轉(zhuǎn)換，顯然只有當(dāng)（n -1） >1時才有可能實現(xiàn)增殖。對 235U或239Pu作燃料的熱中子堆，從理論上講，對于速度為2200 m/s的熱中子來說，其n值是大于2的、（n -1）值雖然略大于1,但在實際的輕水堆中獲 得的有效n

39、值是小于2的，這樣的n值還不足以補償其它材料的吸收和泄 漏損失，因而不可能實現(xiàn)增殖。只有當(dāng)裂變主要是在快中子能譜區(qū)發(fā)生時才 能實現(xiàn)增殖，這種反應(yīng)堆稱為 快中子增殖堆。燃料增殖（fuel breeding ）實 際上是反應(yīng)堆轉(zhuǎn)換比CR>1時的轉(zhuǎn)換過程。這時反應(yīng)堆產(chǎn)生的易裂變核素比消233耗的要多。轉(zhuǎn)換比CR改稱為增殖比BR對于以 U為燃料的熱中子堆，由于239n值較大，約為2.3，理論上可以實現(xiàn)增殖。而在快中子堆中Pu且是良好的增殖燃料。增殖堆的出現(xiàn)為實現(xiàn)鈾和釷資源的充分利用開辟了現(xiàn)實的途徑。122核燃料生產(chǎn)發(fā)展核能的基礎(chǔ)，就目前來說，是易裂變?nèi)剂希ㄍǔ７Q為核燃料）的生產(chǎn)。 廣義的核燃料包

40、括易裂變?nèi)剂虾涂赊D(zhuǎn)換原料。可轉(zhuǎn)換原料本身雖不易裂變，卻能在中子輻照后轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢炎內(nèi)剂希匝a充易裂變?nèi)剂系南?。由上所述，主要的易裂變?nèi)剂嫌?35U 239Pu和233U, 241Pu也是較重要的易裂 變?nèi)剂?。主要的可轉(zhuǎn)換原料有238U和232Th。而240Pu和234U也起著可轉(zhuǎn)換原料 的作用。在核燃料中，只有235U、238U和232Th存在于許多天然礦物中；而239Pu 和233u等核素由于基本沒有天然存在物，它們的制備只能靠可轉(zhuǎn)換原料在反應(yīng) 堆吸收中子后發(fā)生一系列核反應(yīng)來實現(xiàn)。最基本的核燃料是天然鈾。這是唯一存在于自然界天然礦物中的核燃料。但從鈾礦中提煉出來的天然鈾中，所含的易裂變核素2

41、35U只占0.7206%,而鈾的另一個不為熱中子分裂的同位素238U卻占99.274%，其余是極少量的234U（0.0054 %）。盡管天然鈾中所含易裂變核素很少，但在一定條件下，已足以 維持鏈鎖反應(yīng)。世界上第一批反應(yīng)堆，均使用最容易獲得的天然鈾為燃料。 由于天然鈾反應(yīng)堆體積大，裝料多，以及其他技術(shù)、經(jīng)濟因素的限制，目前 大部分動力堆和研究試驗堆均采用低富集鈾燃料。原子彈的裝料、快中子堆、高通量堆的燃料，需要使用高富集鈾或钚。要想獲得純235u是極其困難的。用通常所使用的鈾同位素分離方法，只能制得富集度不同的濃縮鈾。初期的富 集鈾是在消耗大量電能的氣體擴散式同位素分離工廠中生產(chǎn)出來的，用天然

42、鈾為原料。也可采用高速離心法、激光分離法或離子交換法等把兩種鈾同位 素分開。從實用的觀點來看，制取純235u核素的必要性不大。到目前為止，世 界上大部分動力堆，或者用天然鈾作燃料，或者以富集度為25%勺濃縮鈾作 燃料。即使用于制造核武器的濃縮鈾，其富集度也只要提高到93%可以了。在用鈾作燃料時，反應(yīng)堆中的主要核反應(yīng)過程，用簡化方式可描述為裂變582.2 b235U吸收一個中子時，發(fā)生的主要反應(yīng)是裂變（85.5%）,但也進行一些俘 獲反應(yīng)（14.5%）,生成不可裂變的236U; 236U是一種中子毒物，它能吸收另 一個中子而生成短壽命的237U,再衰變?yōu)?37Np。顯然從保持反應(yīng)堆的中子 平衡角

43、度看，發(fā)生這些消耗中子的副反應(yīng)是不利的， 但237Np本身卻是一種 很有價值的放射性核素；292u2.70bn, y用鈾作燃料生產(chǎn)239Pu的核反應(yīng)過程3- 23.5min ! f23993 Np裂變742.5 bf0 J2.35d268.8bn, y239 、94 Pu裂變1009 b 、289.5bn, y240 h94 Pu241'94Pu013.2a| 24195Am1368bn, y24294 Pu18.5b*n, y24394 PU.98 h2953a235U裂變產(chǎn)生的中子被238U吸收生產(chǎn)短壽命的239U,它能再連續(xù)衰變生成239Np和239Pu,在大多數(shù)燃料分析中，可近

44、似看成238U吸收中子后，立刻就生成239了Pu;在反應(yīng)堆中生成的239Pu，不可能立刻從反應(yīng)堆中取出，因而它將不斷地受 到中子的照射。在239Pu吸收中子后，較大的反應(yīng)幾率是裂變（73.4 %）, 但也有一些核俘獲一個中子生成可轉(zhuǎn)換的 240Pu。若再繼續(xù)輻照，還將再吸 收一個中子而生成易裂變的241 Pu;241242241Pu吸收一個中子，既可能發(fā)生裂變（73.2 % ）,也可能生成Pu;Pu還以14.3年的半衰期衰變?yōu)?41Am242Pu既不可裂變也不可轉(zhuǎn)換，像236U 一樣是個中子毒物。它吸收一個中子后生成243Pu,后者衰變?yōu)榘胨テ跒?小時的不可裂變的243Am由以上分析表明，利用

45、反應(yīng)堆人工制取易裂變核素239Pu是可能的，但反應(yīng) 過程是復(fù)雜的。在發(fā)生235u裂變和238u轉(zhuǎn)換反應(yīng)的同時，還伴隨有許多其它的 核反應(yīng)發(fā)生。若輻照深度不夠，239Pu的產(chǎn)率就會很低；若輻照深度過大，又 將造成239Pu自身的消耗和產(chǎn)生更多的副產(chǎn)物。因此欲提高239Pu的產(chǎn)率必須仔 細選擇并適當(dāng)控制反應(yīng)堆的輻照條件。天然釷是單一的232Th°233U是要用232Th為原料在反應(yīng)堆中人工地制造出來。 但需用232Th和235U的混合物或232Th和239Pu的混合物作核燃料，即必須用235U 或239Pu引起核反應(yīng)。在用232Th和235U的混合物作燃料時，反應(yīng)堆中的主要轉(zhuǎn)換過程，用簡

46、化方 式可描述為:235U裂變產(chǎn)生的中子為232Th所吸收，生成233Th經(jīng)B -衰變生成233Pa, 233Pa 再經(jīng)B -衰變生成233U。由于233Th和233Pa的半衰期很短（分別為22.2min 和27.0天），可以認為232Th吸收中子后即生成233U;232Th在核反應(yīng)堆中的轉(zhuǎn)換過程233U吸收一個中子最可能的反應(yīng)是裂變（91.8%），但也有一些核俘獲一個中子生成可轉(zhuǎn)換的234u, 234u俘獲一個中子生成易裂變的235u；在235U裂變 的同時不斷地俘獲中子連續(xù)生成236U和237U;由半衰期為6.75天的237U經(jīng) （3-衰變生成237Np;在232Th吸收中子生成233Th

47、經(jīng)3 -衰變生成233Pa后，233Pa既可經(jīng)3 -衰變生 成233U;也可繼續(xù)俘獲中子生成234Pa,然后以半衰期為6.75天經(jīng)3 -衰變生 234.成Uo1.2 核燃料循環(huán)核燃料循環(huán)：核燃料進入反應(yīng)堆前的制備和在反應(yīng)堆中燃燒及以后的處理 的整個過程。這個過程包括：?鈾（釷）資源開發(fā)和燃料加工，?燃料在反應(yīng)堆中使用，?乏燃料后處理等三大部分。圖1閉式核燃料循環(huán)示意圖也有一些國家考慮對乏燃料不進行后處理，或暫不考慮后處理。鈾礦開采反應(yīng)堆1新兀件/（燃料獲取元件制造乏燃料中間儲存圖2 一次通過式（開式）燃料循環(huán)示意圖因此，前者為閉式核燃料循環(huán)，后者為一次通過式核燃料循環(huán)。核燃料在反應(yīng)堆中使用時與

48、化石燃料相比有兩個值得重視的特點：一是通過反應(yīng)堆的一次裝料，不能把投入的核燃料 全部耗盡；二是在核燃料的燃燒過程中，有可能產(chǎn)生 新的核燃料。因此，反應(yīng)堆燃料不是一次耗盡的，必須定期地將它從堆卸出，經(jīng)化學(xué)處理， 回收殘留下來的核燃料和新生成的核燃料，再富集、再制成燃料元件，使之 能再次返回反應(yīng)堆循環(huán)使用。 這一過程稱為核燃料的循環(huán)。核燃料循環(huán)的存在是由于裝在堆的易裂變?nèi)剂媳仨毥?jīng)常 保持（或大于）臨 界質(zhì)量，否則不可能維持鏈式反應(yīng)。為了要在一定運行周期發(fā)出額定功率，堆需留有超過臨界質(zhì)量的易裂變?nèi)剂希狗磻?yīng)堆活性區(qū)具有后備反應(yīng)性。當(dāng)燃料達到一定的燃耗深度，由于燃料的消耗，以及運行期間產(chǎn)生并積累的裂變

49、產(chǎn)物的毒化效應(yīng)，使后備反應(yīng)性 接近消失時，雖然燃料元（組）件含有相當(dāng)數(shù)量的易裂變?nèi)剂希驳冒阉鼜?堆卸出，換入新燃料。卸出的燃料元（組）件稱為乏燃料，其中含有大量的易裂變核素和可轉(zhuǎn)換核素，包括原先裝入未燃耗的和運行周期中在堆轉(zhuǎn)換生 成的，均屬價值貴重的能量資源。因此，需要經(jīng)過后處理，將裂變產(chǎn)物分離出去，并回收這些易裂變核素和可轉(zhuǎn)換核素，重新制成可用的燃料元（組） 件返回反應(yīng)堆復(fù)用，以構(gòu)成核燃料循環(huán)。核燃料循環(huán)按核燃料性質(zhì)可分為鈾系燃料的鈾-钚循環(huán)方式和釷系燃料的 釷-鈾循環(huán)方式。鈾-钚循環(huán)方式：輕水堆（熱中子堆）鈾-钚循環(huán) 以235U作為易裂變?nèi)剂稀⒁?38U作為轉(zhuǎn)換 原料、生成239Pu的燃

50、料循環(huán)，稱為鈾-钚循環(huán)。而輕水堆（熱中子堆）鈾-钚 循環(huán)通常以低富集鈾為燃料、以238U作為轉(zhuǎn)換原料、生成239Pu的燃料循環(huán)?？熘凶釉鲋扯砚?钚循環(huán) 快堆以239Pu為燃料，并裝載占天然鈾99%上 的238U,在堆中238U轉(zhuǎn)化成為239Pu的量大于燒掉的239Pu的量，并通過后處理把 钚分離出來，作為快堆燃料的循環(huán)使用。因此，從最大限度利用鈾資源的角度來看，應(yīng)充分利用快堆鈾-钚循環(huán)方式的優(yōu)勢。釷-鈾循環(huán)方式：以235U（或233U）作為易裂變?nèi)剂稀⒁?32Th作為轉(zhuǎn)換原料、生成233U的燃 料循環(huán)，稱為釷-鈾循環(huán)。在熱中子堆中把232Th轉(zhuǎn)化為另外一種核燃料233U, 通過后處理把233u

51、分離出來返回堆中循環(huán)使用。從我國釷資源較為豐富的角度 來看，也應(yīng)充分利用熱中子堆釷-鈾循環(huán)方式的優(yōu)勢。鈾-钚循環(huán)的工藝過程包括：(1) 鈾礦地質(zhì)勘探；(3)鈾的提取和精制;(5) 235U的富集；(7) 堆使用(燃料)；(8) 乏燃料中間貯存；(10)乏燃料后處理； 可見：(1)(2) 鈾礦石開采；(4)鈾的化學(xué)轉(zhuǎn)化；(6)燃料元(組)件制造;(9)乏燃料運輸；(11 )放射性廢物的處理和最終處置(6)為核燃料循環(huán)的前段；(8) ( 11)為核燃料循環(huán)的后段。盡管每種反應(yīng)堆的燃料循環(huán)所包含的工藝過程不完全一樣，但其中的許多 工藝步驟與從礦物中提取、加工核燃料的工藝步驟基本一致的，所以人們常 廣

52、義地把核燃料提取、濃縮、加工和后處理等工藝過程都包括在核燃料循環(huán)圖3是以輕水堆電站、鈾-钚燃料循環(huán)為例，具體說明閉式核燃料循環(huán)的各主要環(huán)節(jié)圖3輕水堆電站、鈾-钚燃料循環(huán)示意圖核燃料循環(huán)以反應(yīng)堆為中心，劃分為堆前部分（前段）和堆后部分（后段） 前段是指核燃料在入堆前的制備，包括鈾礦的開采、鈾礦石的加工精制（即前處理）、鈾的轉(zhuǎn)化、鈾的濃縮和燃料元件制造等過程；后段是指從反應(yīng)堆卸出的乏燃料的處理，包括乏燃料的中間儲存，乏燃料中 鈾、钚和裂變產(chǎn)物的分離（即核燃料后處理），以及放射性廢物處理和放射性 廢物最終處置等過程。核燃料循環(huán)從鈾礦開采開始，開采出來的鈾礦石經(jīng)精選，在前處理廠得到 鈾的化學(xué)濃縮物。由

53、于輕水堆電站以含 235U約3%勺低濃鈾作為燃料，需將天 然鈾（其中235U含量僅占0.72%）進行鈾同位素分離，即鈾的濃縮，而當(dāng)前工 業(yè)規(guī)模的鈾的濃縮工廠以六氟化鈾（UF）為供料，因此需要將鈾的化學(xué)濃縮 物進行還原、氫氟化和氟化轉(zhuǎn)變?yōu)?UF6,然后再進行鈾的濃縮過程。從濃縮廠 得到的含235U約3%勺UF,須再經(jīng)過一個轉(zhuǎn)化過程變?yōu)槎趸櫍║O）,才能 送至元件制造廠制成含235U約3%勺低濃鈾燃料元件。反應(yīng)堆是核燃料循環(huán)的中心環(huán)節(jié)，除了提供能量以外，還能再生核燃料。 從輕水堆卸出的乏燃料中，235U含量仍有0.85%左右，高于天然鈾，而且每噸 乏燃料還含有約10公斤钚，其中可作為核燃料的2

54、39Pu和241Pu約占7公斤。（即 95%U 1%Pu 4%FP+MA因此，如將這些易裂變核素分離出來，作為燃料返回 到反應(yīng)堆，既可節(jié)約天然鈾，又可節(jié)約分離功。鈾-钚循環(huán)的工藝過程實際上是包含了整個核燃料循環(huán)的主要環(huán)節(jié)，但在 本節(jié)討論鈾-钚循環(huán)的工藝過程中，只能簡單扼要地描述幾個主要過程的容； 同時為了便于研究，可把核燃料循環(huán)中所包含的工藝過程大致分為物理過程 和化學(xué)過程，而本教材的重點是核燃料循環(huán)中的化學(xué)工藝學(xué)問題。但為了完整起見，對于一些主要涉及物理問題的過程也在本節(jié)作一簡述。鈾的提取鈾的提取實際上是從各種含鈾礦物中提取天然鈾的前處理過程，可粗略地 分為采礦、選礦、浸取和提取四道工序。（

55、1）采礦鈾礦開采是生產(chǎn)天然鈾的第一步，其任務(wù)是把具有工業(yè)價值的鈾礦石從地 下礦床中挖掘出來。就世界圍而言，含鈾量在萬分之幾到百分之幾的鈾礦具有開采價值。 鈾礦開采與其它有色金屬礦的開采方法基本相同。但由于鈾礦具有放射 性，又存在品位低、礦體分散和形態(tài)復(fù)雜等特點，因而它的開采需要考 慮一些特殊問題，其中最重要的是在采礦過程中要采取一系列的放射性 監(jiān)測和防護措施。目前世界上大多數(shù)國家采用 地下開采法，少數(shù)國家采用 露天開采法。（2）選礦由于鈾礦品位低，開采出來的鈾礦石中必然摻入較多的廢石（脈石和圍 巖），所以這些礦石在經(jīng)過適當(dāng)?shù)钠扑橹螅€必須用一定的物理方法進行選 礦，才能得到高品位的鈾精礦。常用于鈾礦石的物理選礦法有：放射性選礦法、浮選法和重力選礦法等。（3）浸取為了提高鈾的回收率和減少放射性物質(zhì)對環(huán)境的影響。鈾精礦的冶煉常采 用濕法流程。鈾濕法冶煉的第一步是浸取。浸取（浸出）是用化學(xué)試劑溶液處理礦石或其它固體物料，以選擇性溶解欲提取組分的分離過程。具體的浸 取方法要根據(jù)礦石的類型來選擇。盡管鈾礦石的種類繁多。成分復(fù)雜，但大 體上可分為硅酸鹽礦和碳酸鹽礦兩大類。前者適宜用 酸法浸取，后者適宜用 堿法浸取。（4）提取鈾精礦浸出液中的鈾濃度很低，一般每升礦漿僅含幾百毫克鈾，高的也不 過1-2g。其余大部分都是雜質(zhì)。因此，鈾從礦石浸出之后，必須首先采用強 有力的分離手段，把鈾從浸出