核工程導(dǎo)論-第二部分鈾濃縮的主要方法介紹課件

第二部分鈾濃縮的主要方法介紹

清華大學(xué)工程物理系周明勝2010年8月核純級天然鈾，仍是U-238，U-235，U-234的混合物其中易裂變核素U-235僅占總量的0.7l2％，天然鈾中U-234的含量僅占0.008％，輕水堆、壓水堆需使用低濃鈾作燃料，其U-235富集度一般為2~5％，核潛艇需要U-235富集度為20％，而快堆用鈾作燃料時(shí)，則需將U-235富集度提高到25％左右至于高中子通量的材料試驗(yàn)堆則需使用U-235富集度大于90％的高濃鈾作燃料對濃縮鈾的需求情況

濃縮鈾技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了電磁法、噴嘴法、化學(xué)交換法、氣體擴(kuò)散法、氣體離心法、激光法等多個(gè)階段。但目前具有商用價(jià)值的僅有氣體擴(kuò)散法和氣體離心法，激光法具有潛在的競爭力，但具備商用還需時(shí)日。濃縮鈾技術(shù)的發(fā)展一、氣體擴(kuò)散法

其原理是基于兩種不同分子量的氣體混合物在熱運(yùn)動(dòng)平衡時(shí)，具有相同的平均功能和不同的運(yùn)動(dòng)速度擴(kuò)散法分離的級分離系數(shù)

一個(gè)擴(kuò)散級的分離效果通常用級分離系數(shù)來表示。級分離系數(shù)的定義為：產(chǎn)品中所需同位素的相對濃度與貧料中該同位素相對濃度的比值。

實(shí)際的分離系數(shù)遠(yuǎn)低于理論值，具體數(shù)值決定于設(shè)備結(jié)構(gòu)、膜的特性及其它工藝條件。由于單級的分離效果不大，為了得到5％的濃縮鈾，便需把近千個(gè)擴(kuò)散級串聯(lián)起來；如要生產(chǎn)高濃鈾便需串聯(lián)數(shù)千個(gè)擴(kuò)散級.用氣體擴(kuò)散法分離鈾同位素，為使工藝氣體通過擴(kuò)散膜，必須在級間不斷地對它進(jìn)行重新壓縮，因此氣體擴(kuò)散廠要消耗大量的電能。一座生產(chǎn)能力為17000噸分離功單位/a的擴(kuò)散廠，需要消耗的總電功率約為600萬kW。壓縮氣體所用的功最后全部變成廢熱。因此在選擇擴(kuò)散廠廠址時(shí)，必須考慮大量的冷卻水消耗。盡管用氣體擴(kuò)散法分離鈾同位素存在上述問題，但因其具有工藝過程比較簡單、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠、容易在工程上實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，所以這種鈾的濃縮方法為各國所普遍采用．二、離心機(jī)濃縮鈾目前工業(yè)用濃縮鈾離心機(jī)以工作頻率分超臨界離心機(jī)亞臨界離心機(jī)均勻轉(zhuǎn)子多節(jié)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)子材料分金屬材料離心機(jī)金屬內(nèi)襯復(fù)合材料離心機(jī)全復(fù)合材料離心機(jī)離心法工業(yè)化生產(chǎn)濃縮鈾的國家及生產(chǎn)能力離心法約占世界濃縮鈾生產(chǎn)能力的50%國家生產(chǎn)能力(103kgSWU/a)Urenco(德、英、荷)4000日本800俄羅斯20000中國1000巴基斯坦？外套筒電機(jī)供料貧料精料轉(zhuǎn)子離心機(jī)示意圖供料貧料精料磁軸承和阻尼裝置精取料器擋板中心供料點(diǎn)轉(zhuǎn)子外套筒貧取料器電機(jī)下軸承工廠對離心機(jī)的要求穩(wěn)定性好可靠性高抗干擾能力強(qiáng)壽命長一致性好分離能力大經(jīng)濟(jì)性好運(yùn)行參數(shù)應(yīng)有良好的穩(wěn)定性壽命期內(nèi)失效率低能夠抵御一定裂度的地震壽命當(dāng)然越長越好機(jī)器臺差應(yīng)盡可能小單機(jī)分離能力應(yīng)盡量大機(jī)器造價(jià)應(yīng)盡量低離心機(jī)的最大理論分離功率D－擴(kuò)散系數(shù)－氣體密度R－氣體常數(shù)T－溫度KL－長度（擋板間的分離室長度）V－離心機(jī)內(nèi)表面圓周速度－同位素質(zhì)量差提高離心機(jī)單機(jī)分離功率的途徑增加離心機(jī)轉(zhuǎn)子長度提高離心機(jī)圓周速度降低溫度提高效率轉(zhuǎn)子長徑比、臨界問題材料比強(qiáng)度問題冷凝問題轉(zhuǎn)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)、流場分布問題工作頻率高于轉(zhuǎn)子固有頻率的離心機(jī)稱為超臨界離心機(jī)工作頻率低于轉(zhuǎn)子固有頻率的離心機(jī)稱為亞臨界離心機(jī)通過加波紋管可以降低轉(zhuǎn)子的固有頻率。通過增加轉(zhuǎn)子的軸向楊氏模量可以提高轉(zhuǎn)子的國有頻率關(guān)于臨界頻率關(guān)于轉(zhuǎn)子材料薄壁轉(zhuǎn)筒的內(nèi)應(yīng)力可以近視為：轉(zhuǎn)筒的斷裂線速度：材料最大應(yīng)力GPa密度kg/m3允許轉(zhuǎn)速沒m/s鎂0.351800~340鋁AlMgZn0.642800~370鋼NiCoMo1315103.08100~540材料

抗拉強(qiáng)度σbMPa密度ρg/cm3

最高線速度Vm/s備注LC4鋁合金5002.8425C3機(jī)用7A60超高強(qiáng)鋁合金≥6282.8470鈦合金9004.6440高強(qiáng)度鋼17008455馬氏體時(shí)鋼2500～30008.1550～600NC機(jī)用玻纖/樹脂7001.9600碳纖維/樹脂16001.6950尼龍/樹脂15001.31100玻纖/樹脂/7A60≥1500/690FL機(jī)用幾種離心機(jī)轉(zhuǎn)子用材料的基本情況關(guān)于提高單機(jī)的分離效率轉(zhuǎn)子內(nèi)部流場的分布中心供料點(diǎn)的位置擋板的位置及其開孔的位置形狀及大小精、貧取料器的半徑尺寸及頭部形狀波紋管的形狀轉(zhuǎn)子端部溫度轉(zhuǎn)子側(cè)壁溫度分布供、精、貧料流量的控制……

兩種不同形式的離心機(jī)目前世界上投入商業(yè)應(yīng)用的離心機(jī)分兩種類型：超臨界型離心機(jī)

離心機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行于超臨界轉(zhuǎn)速下，在轉(zhuǎn)子直徑相同且轉(zhuǎn)速相同時(shí)增加轉(zhuǎn)子長度從而增加單機(jī)分離功(URENCO，日本)，有非均勻轉(zhuǎn)子和均勻轉(zhuǎn)子兩種形式單節(jié)亞臨界型離心機(jī)

單機(jī)分離功較小，轉(zhuǎn)子運(yùn)行于亞臨界轉(zhuǎn)速，在相同占地面積下，離心機(jī)在垂直方向多層安裝(俄羅斯)超臨界離心機(jī)

美國的離心機(jī)多層安裝的亞離心機(jī)(俄式)濃縮鈾離心級聯(lián)濃縮鈾級聯(lián)從形式上可分為兩種：歐式單層架剛性級聯(lián)俄式多層架柔性級聯(lián)兩種不同形式的離心級聯(lián)：單層架(西歐型)1、級聯(lián)每級的機(jī)器數(shù)按理想級聯(lián)流量要求布置

2、單機(jī)的貧料和供料管道上裝有聲速流量孔板

3、級聯(lián)的精、貧料豐度不可調(diào)節(jié)

4、不同豐度的產(chǎn)品需要用某幾種可生產(chǎn)豐度的產(chǎn)品配制

5、整個(gè)工廠由多個(gè)并聯(lián)的小級聯(lián)組成?？赏瑫r(shí)生產(chǎn)幾種豐度的產(chǎn)品單層架級聯(lián)F,CFP,CPW,CW理想級聯(lián)的形狀多層架級聯(lián)1、級聯(lián)的連接方式類似于擴(kuò)散級聯(lián)，整個(gè)工廠由一個(gè)大級聯(lián)組成2、由于機(jī)組大，每級所布置的機(jī)器數(shù)不可能非常接近理想級聯(lián)的流量分布3、每一級的貧料壓力都可以調(diào)節(jié)（亦即分離系數(shù)和分流比都可調(diào)節(jié)）4、級聯(lián)以多層架形式構(gòu)成，可以根據(jù)所需生產(chǎn)豐度，調(diào)整級聯(lián)參數(shù)不需要配料。5、在某一時(shí)間內(nèi)只能生產(chǎn)一種豐度的產(chǎn)品多層架級聯(lián)F1,CFF2,CFP,CPW,CWF,CFP,CPW,CW級聯(lián)層架圖等效級聯(lián)圖P,CPF,CFW,CWW,CWF1,CFF2,CF離心法濃縮鈾工廠的運(yùn)行選用最優(yōu)化的級聯(lián)運(yùn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)工藝參數(shù)（級聯(lián)內(nèi)的壓力、流量等）輔助工藝參數(shù)（冷卻水溫度流量、廠房溫度等）維護(hù)工廠的正常、連續(xù)運(yùn)行(五大連續(xù)）連續(xù)的供取料連續(xù)的供電連續(xù)的冷卻水連續(xù)保持級聯(lián)的密封狀態(tài)連續(xù)的壓縮空氣供應(yīng)采用先進(jìn)設(shè)備，降低運(yùn)行成本離心工廠工藝流程示意圖UF6壓熱罐減壓級聯(lián)精料壓縮機(jī)貧料壓縮機(jī)-20℃鹽水天然UF6凈化管線銅質(zhì)導(dǎo)熱隔板冷Freon線，-80℃熱Freon線，80℃氣態(tài)UF6氣態(tài)UF6卸料線電磁氣動(dòng)閥冷凝升華器示意圖UF6HF0～4℃空氣精料風(fēng)冷收料示意圖貧料收料示意圖補(bǔ)壓機(jī)氣態(tài)卸料線冷、熱乙二醇貧料冷升器4～8℃噴淋水3M3貧料容器三、激光分離法原子激光分離法的原理是：利用激光束對鈾蒸汽的選擇性激發(fā)，235U選擇性電離后再通過電場或磁場從中性分子中分離出來。

激光分離主要采用分子激光法和原子激光法兩種方法，我國目前采用原子激光法。四、噴嘴分離法噴嘴分離法的原理是：對于供料流，如果把分流劈置于適當(dāng)?shù)奈恢?，根?jù)氣體通過曲壁時(shí)產(chǎn)生的離心力差，較重分子靠近壁面富集，較輕分子遠(yuǎn)離壁面富集。

幾種鈾濃縮方法的工藝參數(shù)比較

方法分離系數(shù)操作溫度/℃操作壓力/MPa裝料量g(U)/分離功.a電力消耗度/kg(分離功)氣體擴(kuò)散法1.004370-1000.071-0.101100-2002500高速離心法1.140-50<0.1010.15100-400噴嘴分離法1.015400.0251006600激光法大少大化學(xué)交換法1.001320（濕法）500-1000600工業(yè)應(yīng)用的鈾同位素分離方法比較：項(xiàng)目氣體擴(kuò)散高速離心單機(jī)分離系數(shù)1.0021.2生產(chǎn)3.0%產(chǎn)品所需級數(shù)～1200～14單機(jī)最大分離功SWU/a(kg)3300150經(jīng)濟(jì)規(guī)模103kgSWU/a50001000單位耗電量(kWh/kgSWU)2500100單位分離功成本($/kgSWU)135105五、基本概念

（一）同位素豐度摩爾豐度質(zhì)量豐度

利用：

其中：M1、M2分別是第一、二種同位素的摩爾質(zhì)量可以推導(dǎo)出兩種豐度之間的關(guān)系式：

對鈾同位素分離來說，質(zhì)量豐度除了可以用UF6來計(jì)算外，還可以按金屬鈾來計(jì)算，即表示鈾-235在金屬鈾中的含量。

如：天然鈾的235UF6的摩爾豐度Cmol為0.0072，按UF6計(jì)算的質(zhì)量豐度為：天然鈾中鈾-235的質(zhì)量豐度如按金屬鈾計(jì)算則為：

可見，當(dāng)兩種同位素的摩爾質(zhì)量相差不大時(shí)，以上三種不同的豐度差別不大。（當(dāng)然對輕元素差別會比較大）對鈾同位素來說，兩種豐度的差異極小天然豐度（%）原子彈用（%）Cmol0.00720.90Cm(按U計(jì)算)0.007110.899Cm(按UF6計(jì)算)0.007140.899天然鈾同位素的豐度：同位素234U235U238U豐度（%）0.00640.7299.239一般情況下，可忽略234U，認(rèn)為是雙組分。用C表示235U的豐度，1-C表示238U的豐度但是，對于堆后料237U、239U（半衰期短）、234U，就要考慮234U的影響豐度比(相對豐度)R=C/(1-C)

濃縮系數(shù)（重餾分濃縮系數(shù)、輕餾分濃縮系數(shù)）分流比

或

分離系數(shù)和濃縮系數(shù)分離系數(shù)（重餾分分離系數(shù)、輕餾分分離系數(shù)、全分離系數(shù)）分離功率與價(jià)值函數(shù)

伊朗核問題是目前敏感的問題，2年前，伊朗建成并啟動(dòng)運(yùn)行了由164臺離心機(jī)組成的離心級聯(lián)，國際輿論嘩然。有人認(rèn)為伊朗很快就可以得到足夠生產(chǎn)一顆原子彈的濃縮鈾，也有專家認(rèn)為伊朗的離心機(jī)每臺分離功率只有1公斤鈾/年，現(xiàn)有的離心機(jī)要想造出原子彈至少需要5年。我們知道，在一顆原子彈至少需要20Kg的235U豐度約為90％的金屬鈾，如何將離心機(jī)的分離能力和最終的產(chǎn)品的聯(lián)系起來呢？

首先從價(jià)值函數(shù)與分離功率的概念出發(fā)，求出普遍表達(dá)式設(shè)：V是與豐度C相關(guān)的一個(gè)特征函數(shù)。分離機(jī)器的作用是使氣體的V增加，可理解為，分離機(jī)器做了“功”，使氣體的“價(jià)值”增加。因此，可以稱V為價(jià)值函數(shù)，它表達(dá)了豐度為C時(shí)單位質(zhì)量物質(zhì)的價(jià)值是只和豐度C有關(guān)而和機(jī)器的參數(shù)無關(guān)的一個(gè)量，可寫為V(C)。分離功率與價(jià)值函數(shù)的物理意義和表達(dá)式

GC(1-θ)G，C-θG，C+

對右圖所示分離級，進(jìn)入流量為G，豐度為C，價(jià)值量為GV(C)。經(jīng)過分離，流出輕餾分流量為θG，豐度為C+

，價(jià)值量θGV(C+)，流出重餾分流量為（1-θ）G，豐度為C-

，價(jià)值量為:

以δU表示經(jīng)過一個(gè)分離級單位時(shí)間價(jià)值的增加，也稱價(jià)值增率，則有：

在ε<<1時(shí)，豐度C、C+和C-之間的差別都很小。因此，可以將V(C-)、V(C+)在豐度C附近展開成臺勞級數(shù)。忽略二次方以上的項(xiàng)帶入上面δU可得：

因而：

根據(jù)一級的輕物質(zhì)質(zhì)量守恒，有：由分離理論可知：這就是經(jīng)過一分離級的價(jià)值增率。將此結(jié)果代入（4－2）可得：

當(dāng)一個(gè)分離級具有分離同位素的能力時(shí)，才能產(chǎn)生價(jià)值增率。所以，經(jīng)過一分離級的價(jià)值增率的值應(yīng)該等于機(jī)器分離同位素的能力。如果稱分離同位素的能力為分離功率，以R表示，則有：

R=δU

一臺機(jī)器的分離功率應(yīng)該與機(jī)器中的豐度C無關(guān)，也就是說，機(jī)器的分離功率是反映機(jī)器的分離能力的，它是由機(jī)器本身的特性決定，無論在什么豐度下工作，它都具有這樣的分離能力，所以它與C無關(guān)，而與機(jī)器的一些參量有關(guān)。這樣，就要求：為常數(shù)，如設(shè)此常數(shù)為1，即得：如果θ＝1/2，則ε+=ε-=ε,有：

上式即為分離功率與流量及濃縮系數(shù)的關(guān)系式。因?yàn)闈饪s系數(shù)ε無量綱，所以分離功率的單位和流量相同，以克/秒或公斤/年表示。至于公斤/年可以是公斤UF6/年，也可以是公斤鈾/年。這取決于流量表示的是UF6還是金屬鈾的流量。兩種分離功率之間的關(guān)系是：1公斤UF6/年＝公斤鈾/年＝0.676公斤鈾/年

國際上一般用公斤鈾/年作為分離功率的單位，寫成KgSWU/年（SWU為SeparativeWorkUnit的縮寫）。說明：價(jià)值