核燃料循环产业

2022-12-26 13:28  来源: 嘿嘿能源heypower      天然铀  核燃料

核燃料循环产业是整个核工业产业链的一环,也是核能发展的大动脉,包括铀矿开采、冶炼、转化纯化、同位素分离、燃料元件制造、乏燃料后处理、放射性废物处理处置、核电站反应堆等多个环节。从矿产开发到最终的地质填埋,通常会经历一个完整的燃料循环。


核燃料循环产业是整个核工业产业链的一环,也是核能发展的大动脉,包括铀矿开采、冶炼、转化纯化、同位素分离、燃料元件制造、乏燃料后处理、放射性废物处理处置、核电站反应堆等多个环节。从矿产开发到最终的地质填埋,通常会经历一个完整的燃料循环。

核燃料是指含有易裂变核素,能够在反应堆内实现自持链式核裂变反应的物质。核燃料棒最核心的材料是二氧化铀,由天然铀提炼而成,铀矿需经过勘探开采、水冶、铀转化与铀浓缩等过程,最终送往核燃料加工厂制造出核燃料元件。在核燃料成本结构中,天然铀所占比例最高,达到 49%。然而我国铀矿资源并不丰富,主要依赖进口。

1. 铀矿开采方面:我国属于贫铀国,国内大部分铀资源属于非常规铀,开采成本较高,主要依赖进口。目前全球铀资源主要供应国家有哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、加拿大、纳米比亚、尼日尔和澳大利亚。根据 WNA、中核集团、海关总署、立鼎产业研究网数据,我国 2017 年铀矿对外依存度约为 84%。而由于该行业具有国家安全意义,我国仅中核集团及中广核有资格从事铀矿开采和进出口业务。

天然铀是核工业的基础原料,铀元素分布广,但其矿床非常有限。一般铀含量在千分之一以上的铀矿就具有开采价值,露天矿或开采条件较好的矿也可以开采。

由于矿石中有较多废石,因此需要先进行选矿,铀矿加工先将矿石浓集成铀含量较高的 U3O8,俗称黄饼,黄饼中 U3O8的含量一般在 40-80%。制成黄饼的湿法化学处理,通常称为水冶,即铀的提取和精制,一般在矿山附近进行,铀化学浓缩物制成后会进行外运,为了便于储存和运输,一般会制成铀的氧化物形式。

2.铀的转化纯化:黄饼在提纯后,会被送至铀的浓缩工厂,加工成六氟化铀。天然铀元素含量分别为 238U 99.28%,235U 0.71%及 234U 0.006%。而要满足核电发电的需求,就要提升 235U 的含量。工业规模生产富集铀的方法,主要有扩散法和离心法 2 种。

1)扩散法,即利用六氟化铀(气态)种不同铀同位素气体分子的质量差进行分立,已有 50 余年历史,技术较为成熟,但缺点是耗电量大。

2)气体离心法:是生产富集铀的主要方法,利用离心力将气态六氟化铀同位素分立,于上世纪 90 年代开始用于工业生产,耗电少,但投资较大。当铀的浓度提高至 4%左右时,将铀混合物粉末烧结成二氧化铀陶瓷芯块。

3.核燃料组件的制作:二氧化铀是核燃料棒的核心材料。二氧化铀瓷芯块为直径约 1 厘米,高 1 厘米的圆柱体。几百个芯块叠在一起装入直径 1 厘米,长度约 4米的细长锆合金材料套管内,管的厚度为 1 毫米左右。

因为核裂变反应就像是在燃烧原子,因此称为燃料棒。随后,燃料棒还需要放入燃料棒组件架,一般几百根燃料棒会按照一定间隔,按照 15*15,或 17*17 排列并被固定成一束,即燃料组件。一般,一整个燃料组件主要由上下管座、格架、控制棒导向管和燃料棒组成。

4.乏燃料的冷却及储存:随着核电运行,燃料中裂变核素铀逐步消耗,不足以维持裂变反应,从反应堆中取出的燃料称为乏燃料,或辐照过的燃料。把已经使用的 3%-4%的铀废料(乏燃料),以化学方法将铀和钚从裂变产物中分离出来,称为乏燃料再溶解和后处理技术,这也是核燃料循环后段中最关键的一个环节。

但一般在乏燃料进行后处理之前,会先进行冷却,原因在于乏燃料比活度非常高,且释放大量衰变热,必须贮存一段时间后再进行后处理。乏燃料贮存按照时间长短可以分为短期贮存、中间贮存、长期贮存三种。

其中,短期贮存即在乏燃料在后处理前先短期贮存几个月-几年时间。一般动力堆乏燃料的冷却时间不少于 3-5 年,经过冷却后的乏燃料经过自然衰变,其放射性活度和释热效率降低,也可以缓解后处理工艺上的技术难度。中间贮存较为重要,它可以使后处理的时间推迟几十年,为寻求放射性废物最终处置方案争取时间。

长期贮存一般是采用湿法的水池和干法的金属容器、混凝土密封容器、地下室、干井等。根据《乏燃料的长期贮存与处置》,湿法及干法贮存的时间可达到 50 年甚至更长时间。一般,在反应堆贮存池装满后,后处理厂产能可以满足需求之前,通过建造新的离堆贮存设施,来进行中长期贮存是唯一可能的解决方案。

5.乏燃料的后处理与铀回收:乏燃料后处理的目的主要是提升资源利用率、降低对环境的威胁。目前,全球处理乏燃料的方式主要有两种,一种是开放式,一种是闭式循环。简言之,开放式燃料循环即经过简单的冷却、剪切、封装后运往合适地点,直接填埋,目前瑞典、加拿大、西班牙、美国主要采取这种方式。

闭式燃料循环即分离乏燃料中的铀、钚元素进行再利用,降低其活性和放射性,并将高放废物进行填埋的处理方式。目前法国、英国、俄罗斯、日本、印度、中国均采取这种技术路线。

目前,全球最成熟的乏燃料后处理技术为 PUREX 技术,主要包括首端处理、萃取分离及净化、尾端处理三个缓解。其中,首端处理主要工序包括乏燃料组件的切割、去包壳、燃料芯块溶解、过滤、调料、尾气处理等。萃取分离净化的目的在于对铀、钚于放射性裂变产物的分离和净化。尾端处理的目的主要在于将铀、钚元素转换成经济且易储存的形式,如四氟化铀、二氧化钚。

铀在再处理过程中回收的材料中占很大一部分,法国、英国、日本均有回收再处理的企业。乏燃料中约有 96%是剩余未反应的铀元素,多数为 U-238,小部分为U-235,一般 U-235 的质量分数要小于 0.83%。由于燃耗的限制,乏燃料中 U-235的估计都仍然要比天然铀高,且钚等其他元素可以提取出来加以再次利用,制作成新的燃料组件。(完)

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