大学课件《核工业概论》讲稿（2）铀的加工

1、核工业概论,李全伟 国防科技学院,目录,课程安排：16 /32学时-8/16周 第一讲 绪论（核工业基础知识） 第二讲 铀的生产与加工 第三讲 核反应堆 第四讲 核电站 第五讲 核燃料后处理 第六讲 核废物的处理 第七讲 核废物的处置 第八讲 辐射防护,第二讲 铀的生产与加工,内容提要 2.1铀矿的勘探、开采和加工（原子能工业第12章） 1、铀矿地质勘探 2、铀矿的开采 3、铀的水冶 4、铀的精制 2.2富集铀的生产（原子能工业第9章） 1、主要分离方法 2、分离厂的基本特点 3、六氟化铀 2.3核燃料元件制造（原子能工业第13章） 1、对燃料元件的要求 2、燃料元件的基本结构 3、核燃料和包壳材料 2.4核燃料的运输（原子能工业第14章）,铀,铀（U）是一种带有银白色光泽的金属，铀的原子序数92，是自然界能够找到的最重元素。 铀的化学性质活泼，易与大多数非金属元素发生反应。金属铀暴露在空气中时，表面被氧化层覆盖而失去光泽。粉末状铀在室温下，在空气中，甚至在水中就会自燃。 铀有放射性和化学毒性。,铀有15种放射性同位素，其中238U、235U和234U三种是天然存在的，它们按一定份额组

2、成了天然铀。 天然铀按质量计， 238U的丰度为99.275%、 235U的丰度为0.720%、234U的丰度0.0054%。 天然铀元素235U 和人工放射性同位素233U是可裂变元素。 铀是核工业最基本的原料。,天然铀,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,1、铀矿地质勘探 铀并不稀少，它在地壳中的平均含量为2.510-4%， 即每吨岩石中含有2.5g铀。但分布极其分散，这是铀资源分布的一个显著特点。 铀矿床是铀矿物的堆积体，分散的铀元素在地壳演变时地质作用下不断集中的结果。 我国已发现的铀矿床主要属花岗岩石中的脉形铀矿床、火山岩型铀矿床、砂岩型铀矿床、含铀煤型铀矿床。,蕴藏巨大能量的铀矿石,晶 质 铀 矿,花岗岩型葡萄状沥青铀矿,红伟晶岩中的硅钙铀矿结晶,钙铀云母,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,勘探阶段是对铀矿床进行全面工业评价的决定性阶段，它是在普查和揭露评价阶段证实地下有铀矿体存在的前提下进行的。 普查勘探工作：区域地质调查、普查和详查、揭露评价、勘探等。 基础地质工作：地形测量、地质填图、原始资料编录等。,第二讲 铀的生产与加工 2.

3、1铀矿的勘探、开采和加工,铀矿床工业评价的主要指标：矿石品位和矿床储量 铀矿石的工业品位： 一级矿石金属铀含量大于3%， 二级矿石金属铀含量大于13 三级矿石金属铀含量大于0.11 四级矿石金属铀含量大于0.050.1 五级矿石金属铀含量小于0.05 铀矿床的规模（以金属铀或U3O8储量表示）： 大型铀矿床金属铀储量5000t 中型铀矿床金属铀储量10005000t 小型铀矿床金属铀储量1001000t 铀矿点小于金属铀储量100t,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,世界铀资源状况 世界铀资源主要集中在澳大利亚、加拿大、中西非、纳米比亚、南非、俄罗斯、哈萨克斯坦、乌克兰、乌兹别克斯坦和美国。 亚洲铀资源主要分布在哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、中国、印度、日本和南朝鲜。,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,世界铀产量 共有17个国家开采铀矿，加拿大、澳大利亚和哈萨克斯坦的铀产量分别占世界总产量的24.9、19.1和13.3，合计占世界总产量的57.3。 2006年世界铀产量达39655吨铀，仅能满足世界核反应堆燃料需求量的55，不足部分靠二次铀（包括乏燃

4、料循环利用、政府和民间库存、核武器高浓缩铀的转化）供应。,世界铀矿产量,世界铀矿产量,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,中国铀资源状况 中国的铀资源占世界铀资源的47%，探明储量居世界第10位之后。 中国23个省区发现了铀矿床，分布在7个主要成矿区域。东南部成矿区是最重要的铀资源地区，赣湘粤桂储量占全国已探明铀储量的74%。 中国已发现的铀矿床数量超过200个，但是70% 储量1000t，最大矿床储量为50006000t。大于0.3%的高品位矿石仅占7%，50%铀矿床埋藏深度在300米以下。,中国第一块铀矿石,1954年10月在广西发现，现存核工业北京地质研究院,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,我国已探明的铀工业储量不足以满足2020年以后发展核电的长远需要。 解决办法： 大力加强铀矿的普查勘探，50年内探明现有工业储量23倍的新增储量。 加速发展快堆，争取在2025年投入商用。 积极争取国际合作，进口铀产品。,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,2、铀矿的开采 地下开采：用于埋藏较深的矿体，工艺过程比较复杂，主要分三个阶段：

5、开拓、采准和回采。 矿床开拓的投资占采矿总投资的40%60%，因此选择经济合理的开拓方案是十分重要的。 露天开采：用于埋藏较浅的矿体，先剥离表土和覆盖岩石，使矿石出露，然后进行采矿。 原地浸出采铀：通过地表钻孔将化学反应剂注入矿带，通过化学反应选择性地溶解矿石中的铀，并将浸出液提取出地表进行回收处理。,铀矿开采,露天铀矿场,铀矿的老矿坑,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,铀矿开采的特点 铀矿有放射性和氡气，在铀矿开采过程中除了要考虑噪音、振动、塌方、水患、自燃等危害以外，还必须考虑放射性的危害，这是铀矿开采的特点。 在铀矿床的勘探、开采、运输、加工等过程中，必须采取一系列辐射防护、通风和环保方面的措施。,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,铀矿石的选矿 选矿的目的是使铀矿物和废石尽可能分离，以便经济合理地利用铀矿石。 主要选矿方法：放射性选矿、重力选矿、磁性选矿、浮游选矿和选择性磨矿选矿。 放射性选矿：根据矿块中铀的放射性强度，将铀矿石和废石分开。,南雄铀矿放射性选矿流程图,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,3、铀的水冶 一般分

6、为三个阶段 （1）把铀矿石加工成为铀化学浓缩物 （2）把铀化学浓缩物精制成为核纯产品 （3）还原为金属铀（或转化为六氟化铀）,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,主要的生产步骤： （1）矿石准备：使铀矿石充分暴露，以便于浸出。 破碎：粗碎、中碎、细碎； 磨矿：酸法浸出要求矿石粒度为0.50.15mm,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,（2）矿石浸出 酸法浸出： UO3H2OS4UO2SO4H2O UO2SO4 2SO42-UO2（SO4）34- 碱法浸出： UO3 3Na2CO3 2NaHCO3 Na4UO2(CO3 )3 H2O 铀的浸出率可达8597。,酸法与碱法浸出投资和耗电量比较,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,矿石的堆浸 堆浸的原理：利用粒状矿石堆较好的渗透性和矿粒本身的大量裂隙，使浸出剂与矿粒中的铀矿物充分接触，发生浸出反应形成含铀的浸出液，浸出液自然流出矿石堆将铀带出。 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环境，包括堆浸结束后的尾矿处置。 细菌浸出法和地浸也在研究。,堆浸作业包括六

7、个步骤：（1）铺设堆浸场的底垫（2）矿石准备（3）筑堆（4）布液与集液（5）金属回收（6）卸堆。,典型的地表堆浸设施示意图,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,（3）铀的提取 将浸出液中的铀与其他杂质分离，同时使铀得到部分浓集的工艺过程称为铀的提取，主要方法有离子交换法和溶剂萃取法。 离子交换法：利用离子交换剂在特定体系中对不同离子亲和力的差异，可以有效分离包括稀土元素在内的难分离元素。 用阴离子交换树脂从酸、碱浸出液中选择性地吸附铀，使铀与浸出液中的其它杂质元素分离。,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,阴离子交换树脂对铀的吸附： UO2（SO4）34-4RNO3R4 UO2（SO4）34NO3- UO2(CO3)34-4RNO3 R4 UO2(CO3)34NO3- 固定床树脂层在操作过程中不移动，不同时间分别进行吸附-洗涤-解吸-洗涤-再生-洗涤-吸附的循环操作。 淋洗是吸附的逆过程，又称为解吸，溶液中的铀浓度要比原始溶液高几位至十几倍。淋洗后的树脂经过洗涤再生后又可返回作吸附之用。,固定床离子交换设备结构示意图,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀

8、矿的勘探、开采和加工,溶剂萃取法：使含铀水溶液与有机相接触，通过物理和化学作用，溶液中的铀全部转入有机相。常用萃取剂有三脂肪胺，磷酸三丁酯（TBP）煤油溶剂等。 三脂肪胺萃取铀的反应式：见p298 反萃取：将有机相中的铀重新转移到水溶液中的过程叫做反萃取。 碳酸钠溶液反萃铀的反应式：见p298,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,（4）铀的沉淀 将铀的淋洗液或反萃液加热到适当温度（5060），在碱性条件下使铀沉淀。 2UO2(NO3)26NH4OH(NH4)2U2O74NH4NO33H2O 水冶生产的最后一道工序就是将沉淀物洗涤、压滤、干燥，得到水冶产品铀的化学浓缩物，又称黄饼（重铀酸铵）。,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,4、铀的精制 “黄饼”以U3O8计的铀含量仅为40%80%，国家标准规定铀化学浓缩物中铀含量（干基）对八氧化三铀应大于75%，“黄饼”应大于65%，必须纯化精制以达到核纯。 核纯是指产品中不符合核燃料进一步加工要求的杂质，其最高含量必须低于一定的数值。如热中子吸收截面高的金属杂质，影响铀化合物的转化和UF6气体扩散过程的金属杂

9、质，都要进行严格的限制。,第二讲 铀的生产与加工 2.1铀矿的勘探、开采和加工,工艺方法：通常将铀化学浓缩物提纯和铀氧化物制备的工艺阶段称为铀的精制。纯化的方法有溶剂萃取法、离子交换法和分步结晶法等。 精制产品：硝酸铀酰UO2（NO3）2、重铀酸铵（NH4）2U2O7、三碳酸铀酰铵（NH4）4UO2（CO3）3、八氧化三铀U3O8等。,铀矿石加工工艺总流程,第二讲 铀的生产与加工 2.2富集铀的生产,必要性和重要性 获得公斤武器级铀-235需要200吨铀矿石，要经过探矿、采矿、选矿、浸取、提取、精制等系列工艺流程，而富集分离是其中最后的流程，需要很高的科技水平。 轻水动力堆需要低富集铀燃料，铀-235丰度约为2%5%，游泳池式反应堆10% 以上，高通量材料试验堆90%以上。 国防机密技术：防止核武器扩散,第二讲 铀的生产与加工 2.2富集铀的生产,分离功定义 生产1吨3%的低富集铀需要5.5吨天然铀原料，富集过程剩下4.5吨贫化铀，铀-235丰度降到0.2%左右。这个过程需要4.3吨分离功单位。 把一定量的铀富集到一定的铀-235丰度所需要投入的工作量叫做分离功单位（kgSWU）或以tSWU、MSWU表示。 以F，P，W分别代表产品、供料、尾料的质量，S代表分离功，则供料比F/P和生产单位产品所需分离功S/P都是相应铀-235丰度xP，xF和xW的函数。,第二讲 铀的生产与加工 2.2富集铀的生产,1、主要分离方法 铀-235和铀-238，化学性质相同，仅在质量上有微小的差别，只能利用因质量不同而引起的效应，如速度效应、离心力效应和电磁效应来使同位素分离。 （1）气体扩散法 （2）离心机法 （3）分离喷嘴法 早期用过电磁分离法，激光分离法还未应用。,第二讲 铀的生产与加工 2.2富集铀的生产,分离方法的共同点 （1）单个单元的分离效果很小，必须把许多分离单元（分离级）串联起来，成为“级联”。 （2）被分离的介质须呈六氟化铀UF6气体状态，具有很强的毒性和腐蚀性。 （3）耗电量和基建投资非常大，使分离功价格高昂。,第二讲 铀的生产与加工 2.2富集铀的生产,气体扩散法 基本原理：两种不同分子量的气体混合物在热运动平衡时，两种分子具有相同的平均动能

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