大學課件《核工業(yè)概論》講稿（2）鈾的加工

1、核工業(yè)概論,李全偉國防科技學院,目錄,課程安排：16 /32學時-8/16周第一講 緒論（核工業(yè)基礎(chǔ)知識）第二講 鈾的生產(chǎn)與加工第三講 核反應堆第四講 核電站第五講 核燃料后處理第六講 核廢物的處理第七講 核廢物的處置第八講 輻射防護,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工,內(nèi)容提要2.1鈾礦的勘探、開采和加工（原子能工業(yè)第12章） 1、鈾礦地質(zhì)勘探2、鈾礦的開采3、鈾的水冶4、鈾的精制2.2富集鈾的生產(chǎn)（原子能工業(yè)第9

2、章）1、主要分離方法2、分離廠的基本特點3、六氟化鈾2.3核燃料元件制造（原子能工業(yè)第13章）1、對燃料元件的要求2、燃料元件的基本結(jié)構(gòu)3、核燃料和包殼材料2.4核燃料的運輸（原子能工業(yè)第14章）,鈾,鈾（U）是一種帶有銀白色光澤的金屬，鈾的原子序數(shù)92，是自然界能夠找到的最重元素。鈾的化學性質(zhì)活潑，易與大多數(shù)非金屬元素發(fā)生反應。金屬鈾暴露在空氣中時，表面被氧化層覆蓋而失去光澤。粉末狀鈾在室溫下，在空氣中，甚至在水中就

3、會自燃。鈾有放射性和化學毒性。,鈾有15種放射性同位素，其中238U、235U和234U三種是天然存在的，它們按一定份額組成了天然鈾。天然鈾按質(zhì)量計， 238U的豐度為99.275%、 235U的豐度為0.720%、234U的豐度0.0054%。天然鈾元素235U 和人工放射性同位素233U是可裂變元素。鈾是核工業(yè)最基本的原料。,天然鈾,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,1、鈾礦地質(zhì)勘探鈾并不稀少，它在地殼

4、中的平均含量為2.5×10-4%， 即每噸巖石中含有2.5g鈾。但分布極其分散，這是鈾資源分布的一個顯著特點。鈾礦床是鈾礦物的堆積體，分散的鈾元素在地殼演變時地質(zhì)作用下不斷集中的結(jié)果。我國已發(fā)現(xiàn)的鈾礦床主要屬花崗巖石中的脈形鈾礦床、火山巖型鈾礦床、砂巖型鈾礦床、含鈾煤型鈾礦床。,蘊藏巨大能量的鈾礦石,晶質(zhì)鈾礦,花崗巖型葡萄狀瀝青鈾礦,紅偉晶巖中的硅鈣鈾礦結(jié)晶,鈣鈾云母,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和

5、加工,勘探階段是對鈾礦床進行全面工業(yè)評價的決定性階段，它是在普查和揭露評價階段證實地下有鈾礦體存在的前提下進行的。普查勘探工作：區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、普查和詳查、揭露評價、勘探等?；A(chǔ)地質(zhì)工作：地形測量、地質(zhì)填圖、原始資料編錄等。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,鈾礦床工業(yè)評價的主要指標：礦石品位和礦床儲量鈾礦石的工業(yè)品位：一級礦石金屬鈾含量大于3%，二級礦石金屬鈾含量大于1～3％ 三級礦石金屬鈾含量大于0.1

6、～1％ 四級礦石金屬鈾含量大于0.05～0.1％ 五級礦石金屬鈾含量小于0.05％鈾礦床的規(guī)模（以金屬鈾或U3O8儲量表示）：大型鈾礦床金屬鈾儲量5000t中型鈾礦床金屬鈾儲量1000～5000t小型鈾礦床金屬鈾儲量100～1000t鈾礦點小于金屬鈾儲量100t,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,世界鈾資源狀況世界鈾資源主要集中在澳大利亞、加拿大、中西非、納米比亞、南非、俄羅斯、哈薩克斯坦、烏克蘭、烏

7、茲別克斯坦和美國。亞洲鈾資源主要分布在哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、中國、印度、日本和南朝鮮。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,世界鈾產(chǎn)量共有17個國家開采鈾礦，加拿大、澳大利亞和哈薩克斯坦的鈾產(chǎn)量分別占世界總產(chǎn)量的24.9％、19.1％和13.3％，合計占世界總產(chǎn)量的57.3％。 2006年世界鈾產(chǎn)量達39655噸鈾，僅能滿足世界核反應堆燃料需求量的55％，不足部分靠二次鈾（包括乏燃料循環(huán)利用、政府和民間庫存、

8、核武器高濃縮鈾的轉(zhuǎn)化）供應。,世界鈾礦產(chǎn)量,世界鈾礦產(chǎn)量,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,中國鈾資源狀況中國的鈾資源占世界鈾資源的4～7%，探明儲量居世界第10位之后。中國23個省區(qū)發(fā)現(xiàn)了鈾礦床，分布在7個主要成礦區(qū)域。東南部成礦區(qū)是最重要的鈾資源地區(qū)，贛湘粵桂儲量占全國已探明鈾儲量的74%。中國已發(fā)現(xiàn)的鈾礦床數(shù)量超過200個，但是70% 儲量＜1000t，最大礦床儲量為5000～6000t。大于0.3%的高

9、品位礦石僅占7%，50%鈾礦床埋藏深度在300米以下。,中國第一塊鈾礦石,1954年10月在廣西發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)存核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,我國已探明的鈾工業(yè)儲量不足以滿足2020年以后發(fā)展核電的長遠需要。解決辦法：大力加強鈾礦的普查勘探，50年內(nèi)探明現(xiàn)有工業(yè)儲量2～3倍的新增儲量。加速發(fā)展快堆，爭取在2025年投入商用。積極爭取國際合作，進口鈾產(chǎn)品。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦

10、的勘探、開采和加工,2、鈾礦的開采地下開采：用于埋藏較深的礦體，工藝過程比較復雜，主要分三個階段：開拓、采準和回采。礦床開拓的投資占采礦總投資的40%～60%，因此選擇經(jīng)濟合理的開拓方案是十分重要的。露天開采：用于埋藏較淺的礦體，先剝離表土和覆蓋巖石，使礦石出露，然后進行采礦。原地浸出采鈾：通過地表鉆孔將化學反應劑注入礦帶，通過化學反應選擇性地溶解礦石中的鈾，并將浸出液提取出地表進行回收處理。,鈾礦開采,露天鈾礦場,鈾礦的老礦坑

11、,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,鈾礦開采的特點鈾礦有放射性和氡氣，在鈾礦開采過程中除了要考慮噪音、振動、塌方、水患、自燃等危害以外，還必須考慮放射性的危害，這是鈾礦開采的特點。在鈾礦床的勘探、開采、運輸、加工等過程中，必須采取一系列輻射防護、通風和環(huán)保方面的措施。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,鈾礦石的選礦選礦的目的是使鈾礦物和廢石盡可能分離，以便經(jīng)濟合理地利用鈾礦石。主要選礦方法

12、：放射性選礦、重力選礦、磁性選礦、浮游選礦和選擇性磨礦選礦。放射性選礦：根據(jù)礦塊中鈾的放射性強度，將鈾礦石和廢石分開。,南雄鈾礦放射性選礦流程圖,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,3、鈾的水冶一般分為三個階段（1）把鈾礦石加工成為鈾化學濃縮物（2）把鈾化學濃縮物精制成為核純產(chǎn)品（3）還原為金屬鈾（或轉(zhuǎn)化為六氟化鈾）,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,主要的生產(chǎn)步驟：（1）礦石準備：使鈾

13、礦石充分暴露，以便于浸出。破碎：粗碎、中碎、細碎；磨礦：酸法浸出要求礦石粒度為0.5～0.15mm,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,（2）礦石浸出酸法浸出：UO3＋H2OS4→UO2SO4＋H2OUO2SO4 ＋2[SO4]2-→[UO2（SO4）3]4-堿法浸出：UO3 ＋ 3Na2CO3 ＋ 2NaHCO3 → Na4UO2(CO3 )3 ＋ H2O鈾的浸出率可達85～97％。,酸法與堿法浸出投

14、資和耗電量比較,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,礦石的堆浸堆浸的原理：利用粒狀礦石堆較好的滲透性和礦粒本身的大量裂隙，使浸出劑與礦粒中的鈾礦物充分接觸，發(fā)生浸出反應形成含鈾的浸出液，浸出液自然流出礦石堆將鈾帶出。堆浸的方式：就地破碎浸出、地表堆浸、槽浸。堆浸需要更加注意防止污染環(huán)境，包括堆浸結(jié)束后的尾礦處置。細菌浸出法和地浸也在研究。,堆浸作業(yè)包括六個步驟：（1）鋪設(shè)堆浸場的底墊（2）礦石準備（3）筑堆（4

15、）布液與集液（5）金屬回收（6）卸堆。,典型的地表堆浸設(shè)施示意圖,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,（3）鈾的提取將浸出液中的鈾與其他雜質(zhì)分離，同時使鈾得到部分濃集的工藝過程稱為鈾的提取，主要方法有離子交換法和溶劑萃取法。離子交換法：利用離子交換劑在特定體系中對不同離子親和力的差異，可以有效分離包括稀土元素在內(nèi)的難分離元素。用陰離子交換樹脂從酸、堿浸出液中選擇性地吸附鈾，使鈾與浸出液中的其它雜質(zhì)元素分離。,第二

16、講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,陰離子交換樹脂對鈾的吸附：[UO2（SO4）3]4-＋4RNO3→R4 UO2（SO4）3＋4NO3-[UO2(CO3)3]4-＋4RNO3→ R4 UO2(CO3)3＋4NO3-固定床樹脂層在操作過程中不移動，不同時間分別進行吸附-洗滌-解吸-洗滌-再生-洗滌-吸附的循環(huán)操作。淋洗是吸附的逆過程，又稱為解吸，溶液中的鈾濃度要比原始溶液高幾位至十幾倍。淋洗后的樹脂經(jīng)過洗滌再生后又

17、可返回作吸附之用。,固定床離子交換設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,溶劑萃取法：使含鈾水溶液與有機相接觸，通過物理和化學作用，溶液中的鈾全部轉(zhuǎn)入有機相。常用萃取劑有三脂肪胺，磷酸三丁酯（TBP）煤油溶劑等。三脂肪胺萃取鈾的反應式：見p298反萃取：將有機相中的鈾重新轉(zhuǎn)移到水溶液中的過程叫做反萃取。碳酸鈉溶液反萃鈾的反應式：見p298,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,（4）鈾

18、的沉淀將鈾的淋洗液或反萃液加熱到適當溫度（50～60℃），在堿性條件下使鈾沉淀。2UO2(NO3)2＋6NH4OH→(NH4)2U2O7↓＋4NH4NO3＋3H2O水冶生產(chǎn)的最后一道工序就是將沉淀物洗滌、壓濾、干燥，得到水冶產(chǎn)品鈾的化學濃縮物，又稱黃餅（重鈾酸銨）。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,4、鈾的精制“黃餅”以U3O8計的鈾含量僅為40%～80%，國家標準規(guī)定鈾化學濃縮物中鈾含量（干基）對八氧化三

19、鈾應大于75%，“黃餅”應大于65%，必須純化精制以達到核純。核純是指產(chǎn)品中不符合核燃料進一步加工要求的雜質(zhì)，其最高含量必須低于一定的數(shù)值。如熱中子吸收截面高的金屬雜質(zhì)，影響鈾化合物的轉(zhuǎn)化和UF6氣體擴散過程的金屬雜質(zhì)，都要進行嚴格的限制。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.1鈾礦的勘探、開采和加工,工藝方法：通常將鈾化學濃縮物提純和鈾氧化物制備的工藝階段稱為鈾的精制。純化的方法有溶劑萃取法、離子交換法和分步結(jié)晶法等。精制產(chǎn)品：硝酸鈾酰U

20、O2（NO3）2、重鈾酸銨（NH4）2U2O7、三碳酸鈾酰銨（NH4）4[UO2（CO3）3]、八氧化三鈾U3O8等。,鈾礦石加工工藝總流程,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),必要性和重要性獲得１公斤武器級鈾-235需要200噸鈾礦石，要經(jīng)過探礦、采礦、選礦、浸取、提取、精制等系列工藝流程，而富集分離是其中最后的流程，需要很高的科技水平。輕水動力堆需要低富集鈾燃料，鈾-235豐度約為2%～5%，游泳池式反應堆10% 以上，

21、高通量材料試驗堆90%以上。國防機密技術(shù)：防止核武器擴散,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),分離功定義生產(chǎn)1噸3%的低富集鈾需要5.5噸天然鈾原料，富集過程剩下4.5噸貧化鈾，鈾-235豐度降到0.2%左右。這個過程需要4.3噸分離功單位。把一定量的鈾富集到一定的鈾-235豐度所需要投入的工作量叫做分離功單位（kgSWU）或以tSWU、MSWU表示。以F，P，W分別代表產(chǎn)品、供料、尾料的質(zhì)量，S代表分離功，則供料比F/

22、P和生產(chǎn)單位產(chǎn)品所需分離功S/P都是相應鈾-235豐度xP，xF和xW的函數(shù)。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),1、主要分離方法鈾-235和鈾-238，化學性質(zhì)相同，僅在質(zhì)量上有微小的差別，只能利用因質(zhì)量不同而引起的效應，如速度效應、離心力效應和電磁效應來使同位素分離。（1）氣體擴散法（2）離心機法（3）分離噴嘴法早期用過電磁分離法，激光分離法還未應用。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),分離方法的共同點

23、（1）單個單元的分離效果很小，必須把許多分離單元（分離級）串聯(lián)起來，成為“級聯(lián)”。（2）被分離的介質(zhì)須呈六氟化鈾UF6氣體狀態(tài)，具有很強的毒性和腐蝕性。（3）耗電量和基建投資非常大，使分離功價格高昂。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),氣體擴散法基本原理：兩種不同分子量的氣體混合物在熱運動平衡時，兩種分子具有相同的平均動能而速度不同。較輕分子的平均速度大，較重分子的平均速度小，兩種分子的平均速度與質(zhì)量的關(guān)系如下式：

24、式中V代表平均速度，m代表分子質(zhì)量即分子量。,,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),分離過程：高壓六氟化鈾氣體通過在級聯(lián)中順序安裝的多孔膜時，鈾-235分子氣體比鈾-238分子氣體更快地通過多孔膜壁，鈾-235分子得到微小的富集，隨即被泵送到下一級，留在膜管中的氣體則返回較低級進行再循環(huán)。經(jīng)過上千級后，實現(xiàn)了鈾-235的富集。擴散膜：粉末冶金法制成的燒結(jié)鎳膜、燒結(jié)氧化鋁膜或聚四氟乙烯膜，每平方厘米有幾億個微孔，孔徑小于氣體

25、分子運動的平均自由程。,氣體擴散分離法原理圖,氣體擴散法串聯(lián)級示意圖,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),一個擴散分離級的組成分離器：內(nèi)裝幾千支雙層擴散膜管，膜管直徑幾厘米，長約1～1.5m。壓縮機熱交換器調(diào)節(jié)器管道及測量儀表,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),分離效果分離系數(shù)：單個擴散分離級前后鈾-235的相對豐度比。理論分離系數(shù)1.0043，實際＜1.002。為了達到3%的富集度，需要把1000多個分

26、離級串聯(lián)起來。生產(chǎn)90%以上的高富集鈾，需要串聯(lián)數(shù)千個分離級。大型擴散廠每SWU約需消耗2300～2500kW·h電能。一座年產(chǎn)9000tSWU的擴散廠需要附設(shè)2400MW的發(fā)電廠。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),離心機法分離過程：六氟化鈾氣體被壓縮通過一系列高速旋轉(zhuǎn)的離心機圓筒，由于很強的離心力場的作用，較重的鈾-238氣體分子容易在圓筒的近壁處富集，較輕的鈾-235分子在近軸處富集，實現(xiàn)了輕、重同位素的分

27、離。 生產(chǎn)能力同轉(zhuǎn)筒外周速度的四次方成正比，同轉(zhuǎn)筒的長度成正比。對于300～500m/s的外周速度，直徑10cm的轉(zhuǎn)筒，相當于高速旋轉(zhuǎn)6～10萬轉(zhuǎn)/分。,離心機示原理意圖,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),使用外周速度300m/s的離心機，分離系數(shù)可達到1.058。把鈾-235富集到3%，只需要不到100個分離級。單個離心機的生產(chǎn)能力約5～10SWU/a，必須并聯(lián)幾萬到幾百萬臺機器。離心機法電能消耗少，約為氣體擴散法的1

28、/20。1000～2000tSWU/a的小規(guī)模廠也相當經(jīng)濟（氣體擴散廠10000tSWU/a）。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),分離噴嘴法分離過程：將六氟化鈾與95% 的氦氣或氫氣組成混合氣體，壓縮后高速通過噴嘴而膨脹，在膨脹過程中氣流加速到超聲速，順著噴嘴溝的曲面壁彎轉(zhuǎn)，輕、重分子受到不同的離心力，鈾-238分子靠近壁面富集，較輕的鈾-235分子遠離壁面富集。分離系數(shù)約為1.015,噴嘴法原理圖,第二講 鈾的生產(chǎn)與

29、加工2.2富集鈾的生產(chǎn),激光法利用235U與238U質(zhì)量差所引起的激發(fā)能差別。原子激光法是將金屬鈾蒸發(fā)，然后用一定波長的激光束將鈾-235原子激發(fā)到一個特定的激發(fā)態(tài)或電離態(tài)，但不能激發(fā)或電離鈾-238原子。再施加電場收集通向收集板的鈾-235原子。 分子激光法首先用紅外線激光照射六氟化鈾氣體分子。鈾-235原子吸收這種光譜，從而導致原子能態(tài)的提高。再利用紫外線激光器分解這些分子，分離出鈾-235。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2

30、富集鈾的生產(chǎn),級聯(lián)裝置逆流循環(huán)級聯(lián)級聯(lián)的最少分離級數(shù)N的計算：分離系數(shù)α＝1.002；產(chǎn)品的鈾-235 豐度xP＝1%，3%，30%，90%，99%所需的最少分離級數(shù)N：700、1300、2600、4000、5300,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),2、分離廠的基本特點（1）六氟化鈾在室溫和常壓下是固體粉末，在1atm下，56℃升華為氣體，在0.13atm下，25℃即升華為氣體?；瘜W性質(zhì)活潑，腐蝕性強（2）高度

31、的密封性、耐腐蝕性和清潔度（3）運行的安全性與可靠性,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),3、六氟化鈾六氟化鈾的轉(zhuǎn)化四氟化鈾氟化生產(chǎn)六氟化鈾：六氟化鈾氫氣還原為四氟化鈾：四氟化鈾水解為二氧化鈾：,,,,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.2富集鈾的生產(chǎn),六氟化鈾的生產(chǎn)從鈾水冶廠來的鈾化學濃縮物U3O8原料，從后處理廠來的硝酸鈾酰溶液或三碳酸鈾酰銨原料。第一步：用氫氣還原六價鈾U3O8 ＋2H2＝3UO2 ＋2H2O

32、第二步：把UO2氫氟化為四氟化鈾UF4第三步：用氟氣把UF4氟化為六氟化鈾UF6,,注：U3O8是由UO2和UO3復合而成的同素異價氧化物。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.3燃料元件制造,1、對燃料元件的要求包含核燃料的最小獨立結(jié)構(gòu)單元稱作燃料元件。研究設(shè)計：涉及核物理、裂變物理、固體物理、傳熱學和質(zhì)量轉(zhuǎn)移理論、材料科學、化學、固體和流體力學等綜合知識。制造檢測：一般由芯體和包殼組成。長期在強輻射、高溫、高壓、高流速的環(huán)境下工

33、作，對芯體和包殼材料、結(jié)構(gòu)和使用壽命有很高的要求?，F(xiàn)代壓水堆燃料元件已做到全壽期破損率低于萬分之一(＜0.01%）。,核燃料的最小獨立結(jié)構(gòu)單元,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.3燃料元件制造,2、燃料元件的基本結(jié)構(gòu)按組分特征分類：金屬型、陶瓷型和彌散型；按幾何形狀分類：柱狀、棒狀、環(huán)狀、板狀、條狀、球狀、棱柱狀元件；按反應堆分類：生產(chǎn)堆元件、動力堆元件（包括核電站用的核燃料組件）、試驗堆元件。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.3燃料元件

34、制造,生產(chǎn)堆的燃料元件芯體：純金屬天然鈾包殼材料：鋁合金元件直徑約為25～36mm冷卻劑：水或二氧化碳氣體中子慢化劑：石墨或重水,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.3燃料元件制造,輕水堆的燃料組件芯體：2%～5%二氧化鈾包殼材料：鋯合金在芯塊與包殼之間有0.15～0.20mm的間隙，充以氦氣，內(nèi)壓力在冷態(tài)下2～3MPa，在熱態(tài)下初始壓力可達到6～9MPa（冷卻劑外壓力為16MPa）?，F(xiàn)代壓水堆燃料組件采用14×14

35、至18×18根棒束作正方形排列的無外盒結(jié)構(gòu)。,輕水堆的燃料組件,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.3燃料元件制造,重水堆的燃料棒束芯體：天然鈾包殼材料：鋯合金燃料棒徑為13～15mm，包殼厚度僅0.4mm（冷卻劑外壓力為11MPa ）。芯體和包殼間不留間隙,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.3燃料元件制造,高溫氣冷堆的燃料元件芯體：90%以上的高濃鈾或6%左右的低濃鈾包殼材料：采用全陶型燃料元件，以耐高溫、高導熱的石墨為包殼材

36、料和結(jié)構(gòu)材料，將微小的燃料顆粒彌散在石墨基體中，形成彌散體燃料，能達到很深的燃耗。氣體出口溫度750～900℃，燃料表面溫度900～1100℃。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.3燃料元件制造,鈉冷快中子堆的燃料組件芯體：燃料段裝PuO2+UO2混合物的燒結(jié)陶瓷芯塊，再生段裝貧化二氧化鈾的燒結(jié)陶瓷芯塊。包殼材料：特殊不銹鋼，壁厚0.4mm由于功率密度很高，為保持燃料中心溫度低于熔點，燃料棒做得很細很長，直徑5～8mm，長2～3m（包

37、含燃料段和上、下再生段）。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.3燃料元件制造,研究試驗堆的燃料元件中子通量高，冷卻劑溫度低芯體： 20～90%的濃縮鈾包殼材料：鋁燃料元件在其整個使用壽期內(nèi)，受到裂變碎片和快中子的輻照損傷，仍能保持其物理、力學和化學上的穩(wěn)定性。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.3燃料元件制造,3、核燃料和包殼材料核燃料材料：高熱導率良好的輻照穩(wěn)定性良好的化學穩(wěn)定性高熔點易于加工和成本較低低的熱膨脹系數(shù)含有高

38、原子密度的易裂變（及可轉(zhuǎn)換）核素,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.3燃料元件制造,鈾金屬鈾：天然鈾石墨堆氧化鈾：輕水堆和重水堆碳化鈾：UC或（U，Pu）C可用作快堆燃料，UC2或（U，Th）C2可用作高溫氣冷堆燃料。釷鈾混合陶瓷燃料：（U，Th）C2等。彌散體燃料：金屬陶瓷（軍用堆），UC2陶瓷燃料元件（高溫氣冷堆）。,二氧化鈾陶瓷芯塊,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.3燃料元件制造,钚钚本身具有很強的α放射性和一定的γ放射性，比放

39、射性可達到1010Bq/g。钚在化學上屬劇毒物質(zhì)，钚進入人體會在骨髓中積累，生物半減期長達200年。鈾钚混合陶瓷燃料：現(xiàn)代快中子堆用的MOX燃料元件中PuO2含量約為20%～25%。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.3燃料元件制造,包殼材料：鋁合金鋯合金鎂合金不銹鋼和鎳基合金高溫氣冷堆燃料元件的石墨基體材料,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.4核燃料的運輸,核燃料的運輸屬于放射性物質(zhì)的運輸，必須確保安全，嚴防污染環(huán)境?，F(xiàn)代動力堆的

40、燃料組件，卸出后大約100天左右，便可運往后處理廠，在那里繼續(xù)“冷卻”到所需的時間。第一類（A型）：少量運輸?shù)诙悾˙型）：大量運輸核燃料的運輸必須由承運單位驗明有關(guān)批準證書后方可裝運。,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.4核燃料的運輸,未輻照核燃料的運輸γ放射性很低，運輸容器的防護要求相對簡單，在正常運輸條件下應保證不會破壞，在事故情況下允許損壞，但絕不允許發(fā)生臨界情況。（1）六氟化鈾和二氧化鈾（2）鈾燃料芯塊、鈾燃料棒和燃料組

41、件（3）钚：要求特別嚴格的安全措施，B類容器裝運，一般以氧化钚粉末或硝酸钚溶液狀態(tài)運輸。MOX燃料組件：特制運輸容器,第二講 鈾的生產(chǎn)與加工2.4核燃料的運輸,輻照過燃料組件的運輸乏燃料具有很強的γ射線和衰變熱，運輸容器設(shè)計時除按一般壓力容器考慮外，還要考慮臨界、傳熱、屏蔽和力學等問題。需要設(shè)置中子慢化劑以屏蔽242Cm和244Cm放出的快中子。乏燃料的衰變熱功率達10KW以上，運輸時需要冷卻。運輸中發(fā)生任何意外事故均要保