【填坑填坑,这期来讲讲核燃料的制造方法】
注意,本章原模板参考于知乎用户————汪键是个大胖子。
核燃料、核废料究竟长什么样? - 汪键是个大胖子的回答 - 知乎
部分知识本人会细分,文章内还有很多可以补充的地方。
本章讲解结构分为:开采→提取→转化浓缩→燃料组件构造→燃料回收处理→放射物废料处理
因为压水堆还是目前国内外核电厂广泛使用的反应堆堆型,所以本位以压水堆堆型来围绕讲解。
不过铀在各种岩石中的含量很不均匀。例如在花岗岩中的含量就要高些,平均每吨含3.5克铀。依此推算,一立方公里的花岗岩就会含有约一万吨铀。
海水中铀的浓度相当低,每吨海水平均只含3.3毫克铀,但由于海水总量极大,且从水中提取有其方便之处,所以目前不少国家,特别是那些缺少铀矿资源的国家,正在探索海水提铀的方法,不过暂时由于提取困难和成本昂贵等一些原因在阻碍开采。
不过铀虽然多,但是用于核电站的燃料原料铀-235却很稀少,仅占0.66%。
提取:首先要把采到的铀经颚式破碎机、圆维破碎机或锤式破碎机粗碎、中碎和细碎以达到所要求的粒度。然后进行研磨,以达到浸取工序所要求的粒度。
研磨之后进行铀浸取一般有酸法和碱法两种。多数铀水冶厂采用酸浸取法,少数厂用碱浸取法,只有个别厂同时采用酸、碱两种浸取流程。
酸浸取法一般用硫酸作浸取剂,矿石中的铀和硫酸反应,生成可溶的铀酰离子(UO卂)和硫酸铀酰离子 【UO(SO)】;浸取时常加入氧化剂(常用二氧化锰、氯酸钠),以保持适宜的氧化还原电势(约450毫伏),使四价铀氧化成六价,以提高铀的浸出率。
含碳酸盐的铀矿石主要用碱法浸取,常用的浸取剂为碳酸钠和碳酸氢钠的水溶液,在鼓入空气的条件下,矿石中的铀与碳酸钠生成碳酸铀酰钠 Na【UO(CO)】,溶于浸取液。
铀矿石浸取后所得到的酸性或碱性矿浆(包括含铀溶液、部分杂质及固体矿渣)中的溶液和矿渣必须要经过分离从而去除杂质。
当然根据个人需要也可进行粗矿分级,以除去+200~40目的粗砂,得到细泥样的矿浆。
固液分离设备有过滤机、沉降槽(浓密机)
分级设备有螺旋分级机、水力旋流器。
流态化塔也可以进行分级和洗涤。
当然,我们需要的是铀,所以我们还需要从加工好的一坨散发着怪味中提取沉淀出铀化学浓缩物。
目前常采用的是离子交换法或者溶液萃取法提纯出铀化学浓缩物。
1.离子交换法,通常是利用离子交换剂中的可交换基团与溶液中的铀化学浓缩物进行各种离子间的离子交换能力的不同来进行分离的一种方法。
主要是用聚苯乙烯-二乙烯苯季胺盐型强酸性离子交换树脂离(常在柱式设备中进行),然后再从碱性浸出液中提取铀。
把离子交换剂装入交换柱中,含被分离物质的溶液由柱顶加入,使之在交换柱顶端发生交换吸附,然后用一种溶液(淋洗剂或排代剂)连续流过交换柱,使被分离离子在柱中实现多次离子交换吸附和解吸,最后达到不同离子间的分离从而提纯出铀化学浓缩物。
2.溶液萃取法,因为使用的萃取剂有点小贵,所以并不经常使用这种方法。一般在水冶厂处理的溶液是体积大、铀浓度低、杂质含量高的稀溶液,须将铀与杂质分离并初步使铀浓缩,常用的有机膦与烷基胺类萃取剂有磷酸三丁酯 (TBP)、二(2-乙基己基)磷酸、三辛胺等。
当然这个时候我们得到的只是工业铀浓缩物,仍含有硫酸盐、硅、钙、镁等杂质,须进一步精制,才能得到核纯产品。
所以我们还需要进一步洗涤、压滤、干燥后才能得到水冶产品的铀化学浓缩物,又称之为黄饼(U3O8),黄饼的辐射很小,只要不吃没什么大事。
转化浓缩:得到的黄饼还需要进一步转化才能用于核电站真正燃烧的原料,目前大部分核电站会采用把六氧化三铀转化为六氟化铀。
目前有氢氟化法或萃取方法来转化为六氟化铀,使其中的八氧化三铀转化为四氟化铀,最后再制成六氟化铀。
气体动力学分离法:将六氟化铀气体与氢或氦的混合气体经过压缩高速通过一个喷嘴,然后穿过一个曲面,这样便形成了可以从铀-238中分离铀-235同位素的离心力从而进行浓缩,不过太过耗电。
激光浓缩法:激光浓缩法有两种技术可以浓缩铀。
原子激光法是将金属铀蒸发,然后以一定的波长应用激光束将铀-235原子激发到一个特定的激发态或电离态,但不能激发或电离铀-238原子。然后电场对通向收集板的铀-235原子进行扫描分离。
分子激光法也是依靠铀同位素在吸收光谱上存在的差异,并首先用红外线激光照射六氟化铀气体分子。铀-235原子吸收这种光谱,从而导致原子能态的提高。然后再利用紫外线激光器分解这些分子,并分离出铀-235。
同位素电磁分离法:基于带电原子在磁场作圆周运动时其质量不同的离子由于旋转半径不同而被分离。
通过形成低能离子的强电流束并使这些低能离子在穿过巨大的电磁体时所产生的磁场来实现同位素电磁分离,轻同位素由于其圆周运动的半径与重同位素不同而被分离出来,适用于铀浓缩。
等离子体分离法:利用离子回旋共振原理有选择性地激发铀-235和铀-238离子中等离子体铀-235同位素的能量。
当等离子体通过一个由密式分隔的平行板组成的收集器时,具有大轨道的铀-235离子会更多地沉积在平行板上,而其余的铀-235等离子体贫化离子则积聚在收集器的端板上从而达到铀浓缩。)
其中也会产生一些大量的副产品,分离后的尾料也叫贫化铀(DU),有军事用途,比如贫铀弹或者装甲等等。
燃料组件构造:由骨架(skeleton)和燃料棒(fuel rod)组成。不同厂家,不同型号的燃料组件的结构不同,以大亚湾核电站使用的法国AFA 3G燃料组件为例
骨架:包括
上管座
24根导向管
1根仪表管
8层定位格架
3层跨间搅浑格架
下管座
264根燃料棒
燃料回收处理:核燃料在反应堆中燃烧,这不是一次燃尽的。为维持反应堆的正常运行,堆中要留有最低数量的核燃料;积累的裂变产物也会吸收中子而妨碍反应堆的正常运行。因此,核燃料在反应堆中燃烧一段时间后,就应从反应堆中卸出。
目前我们需要讲解的是普雷克斯流程(用磷酸三丁酯萃取法从辐照核燃料中回收铀、钚的一种化工过程)。
在普雷克斯流程处理之前辐照核燃料预先溶解于硝酸,然后将溶解液调节到所需的酸浓度、铀浓度并使钚处于四价状态。分离过程在多级逆流萃取设备(如混合澄清槽、萃取柱)中进行。首先是含铀、钚、裂变产物的料液在第一个萃取设备中与TBP接触,铀和钚被TBP萃取,而大部分裂变产物则留于水溶液中,从而实现铀、钚与裂变产物的初级分离;在下一个萃取设备中用稀硝酸反萃取铀、钚。
这样经过一次萃取和反萃取的操作过程,称为一个萃取循环。经过第一萃取循环得到的铀、钚溶液经过适当的处理(如蒸浓,调节硝酸和铀的浓度,并使钚重新处于四价状态)后进行第二次铀、钚萃取,以进一步与残留的裂变产物分离,再用还原剂溶液反萃取钚以实现铀、钚分离,然后用稀硝酸反萃取铀。这时所得到的铀、钚产品纯度往往还达不到要求,因此需要进行第三个萃取循环以提高纯度。
以上所述仅是普雷克斯流程的一种类型,还有其他类型。例如在第一萃取循环中就进行铀、钚分离;用其他方法代替第三萃取循环(如用硅胶吸附法纯化铀,用阴离子交换法纯化钚);或经两个萃取循环后铀、钚产品纯度已满足要求,就不需第三个萃取循环了。
放射物废料处理:当今有核国家乏燃料处理方式有三种:一是送往后处理设施,从废物中回收其中所含的铀和钚,二是存放在中间贮存设施,三是放入地质处置库进行最终处置。(这里不过多赘述)