核燃料循環(huán)
1、核工業(yè)體系的組成及其流程
核工業(yè)是一個十分廣大的系統(tǒng)工程,其組成體系包括:鈾礦勘探、鈾礦開采與鈾的提取、燃料元件制造、鈾同位素分離、反應(yīng)堆發(fā)電、乏燃料后處理、同位素應(yīng)用以及與核工業(yè)相關(guān)的建筑安裝、儀器儀表、設(shè)備制造與加工、安全防護(hù)及環(huán)境保護(hù)。
2、核燃料循環(huán)及其組成
核燃料循環(huán)是核工業(yè)體系中的重要組成部分。所謂核燃料循環(huán)是指核燃料的獲得、使用、處理、回收利用的全過程。
燃料循環(huán)通常分成兩大部分,即前端和后端,它包括鈾礦開采、礦石加工(選礦、浸出、沉淀等多種工序)、鈾的提取、精制、轉(zhuǎn)換、濃縮、元件制造等;后端包括對反應(yīng)堆輻照以后的乏燃料元件進(jìn)行鈾钚分離的后處理以及對放射性廢物處理、貯存和處置。
3、鈾礦地質(zhì)勘探
鈾是核工業(yè)最基本的原料。鈾礦地質(zhì)勘探的任務(wù),是查明和研究鈾礦床形成的地質(zhì)條件,闡明鈾礦床在時間上和空間上分布的規(guī)律,運用鈾礦床形成和分布的規(guī)律指導(dǎo)普查勘探,探明地下的鈾礦資源。
地殼中的鈾,以鈾礦物、類質(zhì)圖象(形成含鈾礦物)和吸附狀態(tài)的形式存在。由于鈾的化學(xué)性質(zhì)活潑,所以不存在天然的純元素。
鈾礦物主要是形成化合物。目前已發(fā)現(xiàn)的鈾礦物和含鈾礦物有170種以上,其中只有25~30種鈾礦物具有實際的開采價值。
鈾礦床是鈾礦物的堆積體。鈾礦床是分散在地殼中的鈾元素在各種地質(zhì)作用下不斷集中而成的,也是地殼不斷演變的結(jié)果。查明鈾礦床的形成過程,對有效地指導(dǎo)普查勘探具有十分重要的意義。
并不是所有的鈾礦床都有開采、進(jìn)行工業(yè)利用的價值。影響鈾礦床工業(yè)評價的因素很多,有礦石品位、礦床儲量、礦石技術(shù)加工性能、礦床開采條件,有用元素綜合利用的可能性和交通運輸條件等。其中礦石品位和礦床儲量是評價鈾礦床的兩個主要指標(biāo)。
鈾礦普查勘探工作的程序,包括區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、普查和詳查、揭露評價、勘探等相互銜接的階段。同時還伴隨一系列的基礎(chǔ)地質(zhì)工作,如地形測量、地質(zhì)填圖、原始資料編錄、巖石礦物鑒定、樣品的化學(xué)和物理分析、礦石工藝試驗等。
4、鈾礦開采
鈾礦開采是生產(chǎn)鈾的第一步。它的任務(wù)是把工業(yè)品位的鈾礦廠從地下礦床中開采出來,或?qū)⑩櫧?jīng)化學(xué)溶浸,生產(chǎn)出液體鈾化合物。
鈾礦的開采與其他金屬礦的開采基本相同,但是由于鈾礦有放射性,能放出放射性氣體(氡氣),品位較低,礦體分散(單個礦體的體積小)和形態(tài)復(fù)雜,所以鈾礦開采又有一些特殊的地方。
鈾礦開采方法主要有露天開采、地下開采和原地浸出采鈾三種方法。
露天開采是按一定程序先剝離表土和覆蓋巖石,使礦石出露,然后進(jìn)行采礦,這種方法一般用于埋藏較淺的礦體。
地下開采是通過掘進(jìn)聯(lián)系地表與礦體的一系列井巷,從礦體中采出礦石,地下開采的工藝過程比較復(fù)雜。一般在礦床離地表較深的條件下采用這種方法。
原地浸出采鈾是通過地表鉆孔將化學(xué)反應(yīng)劑注入礦帶,通過化學(xué)反應(yīng)選擇性地溶解礦石中的有用成分——鈾,并將浸出液提取出地表,而不使礦石繞圍巖產(chǎn)生位移。這種采鈾方法與常規(guī)采礦相比,生產(chǎn)成本低,勞動強度小,但其應(yīng)用有一定的局限性,只適用于具有一定地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的礦床。
5、鈾提取工藝
鈾提取工藝的基本任務(wù)是將開采出來的礦廠加工富集成含鈾是較高的中間產(chǎn)品,通常稱為鈾化學(xué)濃縮物,經(jīng)過進(jìn)一步強化,加工成鈾氧化物作為下一步工序的原料。
常規(guī)的鈾提取工藝一段包括,礦石品位、磨礦、礦石浸出,母液分離、溶液純化、沉淀等工序。
礦廠開采出來后,經(jīng)過破碎磨細(xì),使鈾礦物充分暴露,以便于浸出,然后在一定的工藝條件下,借助一些化學(xué)試劑(即浸出劑)與其他手段將礦廠中有價值的組分選擇性地溶解出來。
有兩種浸出方法,即酸法和堿法。
浸出液中,不僅鈾含量低,而且雜質(zhì)種類多,含量高,必須將這些雜質(zhì)去除才能達(dá)到核電要求。
這一步溶液純化過程,有兩種方法可供選擇,離子交換法(又稱吸附法)和溶劑萃取法。沉淀出鈾化學(xué)濃縮物的工藝過程是水冶生產(chǎn)的最后一道工序。
沉淀物經(jīng)洗滌、壓濾、干燥后即得到水冶產(chǎn)品鈾化學(xué)濃縮物,又稱黃餅。
6、濃縮鈾生產(chǎn)技術(shù)
以同位素分離為目的,提高鈾—235濃度的處理即為濃縮。通過濃縮獲得滿足某些反應(yīng)堆所要求的鈾—235豐度的鈾燃料。
現(xiàn)代工業(yè)上采用的濃縮方法是氣體擴(kuò)散法和離心分離法。濃縮處理是以六氟化鈾形式進(jìn)行的。此外,還有激光法、噴嘴法、電磁分離法、化學(xué)分離法等。對鈾同位素進(jìn)行分離,使鈾—235富集。分離后余下的尾料,即含鈾—235約0.3%的貧化鈾可作為貧鈾彈的材料等。
7、反應(yīng)堆用的燃料元件
經(jīng)過提純或同位素分離后的鈾,還不能直接用作核燃料,還要經(jīng)過化學(xué),物理、機(jī)械加工等復(fù)雜而又嚴(yán)格的過程,制成形狀和品質(zhì)各異的元件,才能供各種反應(yīng)堆作為燃料來使用。這是保證反應(yīng)堆安全運行的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
按組分特征,可分為金屬型、陶瓷型和彌散型三種;按幾何形狀分,有柱狀、棒狀、環(huán)狀、板狀,條狀、球狀、棱柱狀元件;按反應(yīng)堆分,有試驗堆元件,生產(chǎn)堆元件,動力堆元件(包括核電站用的核燃料組件)。
核燃料元件種類繁多,一般都由芯體和包殼組成。核燃料元件在核反應(yīng)堆中的工作狀況十分惡劣,長期處于強輻射、高溫、高流速甚至高壓的環(huán)境中,因此,芯體要有優(yōu)良的綜合性能。對包殼材料還要求有較小的熱中子吸收截面(快堆除外),在使用壽期內(nèi),不能破損。因此,核燃料元件制造是一種高科技含量的技術(shù)。
8、乏燃料的后處理
輻照過的燃料元件從堆內(nèi)卸出時,無論是否達(dá)到設(shè)計的燃耗深度,總是含有一定量裂變?nèi)剂?包括未分裂和新生的)�；厥者@些寶貴的裂變?nèi)剂?鈾—235,鈾—233和钚)以便再制造成新的燃料元件或用做核武器裝料,是后處理的主要目的。此外,所產(chǎn)生的超鈾元素以及可用作射線源的某些放射性裂變產(chǎn)物(如銫—137,鍶—90等)的提取,也有很大的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)價值。
乏燃料后處理具有放射性強,毒性大,有發(fā)生臨界事故的危險等特點,因而必須采取嚴(yán)格的安全防護(hù)措施。
后處理工藝可分下列幾個步驟:
(1)冷卻與首端處理:冷卻將乏燃料組件解體,脫除元件包殼,溶解燃料芯塊等。
(2)化學(xué)分離:即凈化與去污過程,將裂變產(chǎn)物從U-Pu中清除出去,然后用溶劑淬取法將鈾—钚分離并分別以硝酸鈾酰和硝酸钚溶液形式提取出來。
(3)通過化學(xué)轉(zhuǎn)化還原出鈾和钚。
(4)通過凈化分別制成金屬鈾(或二氧化鈾)及钚(或二氧化钚)。
9、放射性廢物處理與處置
在核工業(yè)生產(chǎn)和核科學(xué)研究過程中,會產(chǎn)生一些具有不同程度放射性的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的廢物,簡稱為“三廢”。
在放射性廢物中,放射性物質(zhì)的含量很低,但帶來的危害較大。由于放射性不受外界條件(如物理、化學(xué)、生物方法)的影響,在放射性廢物處理過程中,除了靠放射性物質(zhì)的衰變使其放射性衰減外,無非是將放射性物質(zhì)從廢物中分離出來,使?jié)饧?放射性物質(zhì)的廢物體積盡量減小,并改變其存在的狀態(tài),以達(dá)安全處置的目的。
對“三廢”區(qū)別不同情況,采取多級凈化、去污、壓縮減容、焚燒、固化等措施處理、處置。這個過程稱為“三廢”處理與處置。例如,對放射性廢液,根據(jù)其放射性水平區(qū)分為低、中、高放廢液,可采用凈化處理、水泥固化或瀝青固化、玻璃固化。固化后存放到專用處置場或放入深地層處置庫內(nèi)處置,使其與生物圈隔離。
核反應(yīng)堆
1、核反應(yīng)堆及其組成
核反應(yīng)堆是一個能維持和控制核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng),從而實現(xiàn)核能—熱能轉(zhuǎn)換的裝置。核反應(yīng)堆是核電廠的心臟,核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在其中進(jìn)行。
1942年美國芝加哥大學(xué)建成了世界上第一座自持的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置,從此開辟了核能利用的新紀(jì)元。
反應(yīng)堆由堆芯、冷卻系統(tǒng)、慢化系統(tǒng)、反射層、控制與保護(hù)系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、輻射監(jiān)測系統(tǒng)等組成。
堆芯中的燃料:反應(yīng)堆的燃料,不是煤、石油,而是可裂變材料。自然界天然存在的易于裂變的材料只有U-235,它在天然鈾中的含量僅有0.711%,另外兩種同位素U-238和U-234各占99.238%和0.0058%,后兩種均不易裂變。
另外,還有兩種利用反應(yīng)堆或加速器生產(chǎn)出來的裂變材料U-233和Pu-239。
用這些裂變材料制成金屬、金屬合金、氧化物、碳化物等形式作為反應(yīng)堆的燃料。
燃料包殼:為了防止裂變產(chǎn)物逸出,一般燃料都需用包殼包起來,包殼材料有鋁、鋯合金和不銹鋼等。
控制與保護(hù)系統(tǒng)中的控制棒和安全棒:為了控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速率在一個預(yù)定的水平上,需用吸收中子的材料做成吸收棒,稱之為控制棒和安全棒�？刂瓢粲脕硌a償燃料消耗和調(diào)節(jié)反應(yīng)速率;安全棒用來快速停止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。吸收體材料一般是硼、碳化硼、鎘、銀銦鎘等。冷卻系統(tǒng)中的冷卻劑:為了將裂變的熱導(dǎo)出來,反應(yīng)堆必須有冷卻劑,常用的冷卻劑有輕水、重水、氦和液態(tài)金屬鈉等。
慢化系統(tǒng)中的慢化劑:由于慢速中子更易引起鈾—235裂變,而中子裂變出來則是快速中子,所以有些反應(yīng)堆中要放入能使中子速度減慢的材料,就叫慢化劑,一般慢化劑有水、重水、石墨等。
反射層:反射層設(shè)在活性區(qū)四周,它可以是重水、輕水、鈹、石墨或其他材料。它能把活性區(qū)內(nèi)逃出的中子反射回去,減少中子的泄漏量。
屏蔽系統(tǒng):反應(yīng)堆周圍設(shè)屏蔽層,減弱中子及γ劑量。
輻射監(jiān)測系統(tǒng):該系統(tǒng)能監(jiān)測并及早發(fā)現(xiàn)放射性泄漏情況。
2、反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)形式和分類
反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)形式是千姿百態(tài)的,它根據(jù)燃料形式、冷卻劑種類、中子能量分布形式、特殊的設(shè)計需要等因素可建造成各類型結(jié)構(gòu)形式的反應(yīng)堆。目前世界上有大小反應(yīng)堆上千座,其分類也是多種多樣。按能普分有由熱能中子和快速中子引起裂變的熱堆和快堆;按冷卻劑分有輕水堆,即普通水堆(又分為壓水堆和沸水堆)、重水堆、氣冷堆和鈉冷堆。按用途分有:(1)研究試驗堆:是用來研究中子特性,利用中子對物理學(xué)、生物學(xué)、輻照防護(hù)學(xué)以及材料學(xué)等方面進(jìn)行研究;(2)生產(chǎn)堆,主要是生產(chǎn)新的易裂變的材料鈾—233、钚—239;(3)動力堆,利用核裂變所產(chǎn)生的熱能廣泛用于艦船的推進(jìn)動力和核能發(fā)電。反應(yīng)堆分類情況見下表。
3、研究實驗反應(yīng)堆
是指用作實驗研究工具的反應(yīng)堆,它不包括為研究發(fā)展特定堆型而建造的、本身就是研究對象的反應(yīng)堆,如原型堆,零功率堆,各種模式堆等。研究實驗堆的實驗研究領(lǐng)域很廣泛,包括堆物理,堆工程、生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)等,同時,還可生產(chǎn)各種放射性同位素和培訓(xùn)反應(yīng)堆科學(xué)技術(shù)人員。研究實驗堆種類很多,例如:游泳池式研究實驗堆:在這種堆中水既作為慢化劑、反射層和冷卻劑,又起主要屏蔽作用。因水池常做成游泳池狀的長圓形而得其名。
罐式研究實驗堆:由于較高的工作溫度和較大的冷卻劑流量只有在加壓系統(tǒng)中才能實現(xiàn),因此,必須采取加壓罐式結(jié)構(gòu)。
重水研究實驗堆:重水的中子吸收截面小,允許采用天然鈾燃料,它的特點是臨界質(zhì)量較大,中子通量密度較低。如果要減小臨界質(zhì)量和獲得高中子通量密度,就用濃縮鈾來代替天然鈾。
此外,還有固體慢化劑研究實驗堆、均勻型研究實驗堆、快中子實驗堆等。
4、生產(chǎn)堆
主要用于生產(chǎn)易裂變材料或其他材料,或用來進(jìn)行工業(yè)規(guī)模輻照。生產(chǎn)堆包括產(chǎn)钚堆,產(chǎn)氚堆和產(chǎn)钚產(chǎn)氚兩用堆、同位素生產(chǎn)堆及大規(guī)模輻照堆,如果不是特別指明,通常所說的生產(chǎn)堆是指產(chǎn)钚堆。該堆結(jié)構(gòu)簡單,生產(chǎn)堆中的燃料元件既是燃料,又是生產(chǎn)钚—239的原料。中子來源于用天然鈾制作的元件中的U-235。U-235裂變中子產(chǎn)額為2~3個。除維持裂變反應(yīng)所需的中子外,余下的中子被U-238吸收,即可轉(zhuǎn)換成Pu-239,平均燒掉一個U-235原子可獲得0.8個钚原子。也可以用生產(chǎn)堆生產(chǎn)熱核燃料氚。用重水型生產(chǎn)堆生產(chǎn)氚要比用石墨生產(chǎn)堆產(chǎn)氚高7倍。
5、動力反應(yīng)堆
世界上動力反應(yīng)堆可分為潛艇動力堆和商用發(fā)電反應(yīng)堆。核潛艇通常用壓水堆作為其動力裝置。商用規(guī)模的核電站用的反應(yīng)堆主要有壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨氣冷堆和快堆等。
安全殼的作用
核電站里安裝著原子反應(yīng)堆的廠房由于要求特殊,沒有窗戶。
對于危險的東西,最好的辦法是隔離。核電站里的危險物質(zhì)就是核燃料,它是一種有放射性的物質(zhì),特別是在使用過以后,放射性更為強烈。核燃料是被密閉在稱之為燃料元件包殼的金屬管內(nèi)的。只要管子不破,放射性物質(zhì)不會漏到外面來,這是第一道防線。燃料元件放在反應(yīng)堆的容器內(nèi),反應(yīng)堆容器是密閉的。一切相聯(lián)的管道,其他各種容器也都是密閉的。這是第二道防線。整個的反應(yīng)堆設(shè)備都安裝在一座密閉的建筑物內(nèi),這是一座沒有窗的房子,萬一放射性物質(zhì)沖破第一道和第二道防線外溢,這座沒有窗戶的房子就是最后的防線。
核電站的反應(yīng)堆是一個龐然大物,容納這樣一個東西的房子必然也很大,而且必須十分堅固。設(shè)想反應(yīng)堆發(fā)生了十分嚴(yán)重的事故,比如說發(fā)生了爆炸,這最后一道防線也決不能受到損壞。它就像一個鐘罩似的,把一切危險物質(zhì)或危險氣體都罩在里面,不令散發(fā)到外面去。
什么結(jié)構(gòu)的建筑式樣最堅固呢?是球形建筑或球頂狀建筑。球形的東西,如果里面產(chǎn)生壓力,那么它所受的力是很均勻的。而且,從幾何學(xué)上可以知道,球體和其他幾何形狀比起來,在最小的表面積之下,有著最大的容積。這就是說照這個樣子建成的房子,里面可以容納最多的設(shè)備、而所用的建筑材料最少,也最堅固。
核電站反應(yīng)堆廠房就是按照這個原理設(shè)計的。由于它的主要目的是防止核電站在運行、停堆和事故期間因失去控制而將放射性物質(zhì)排放到周圍環(huán)境中去,因而這個沒有窗的房子就專門叫做“安全殼”。
