7核燃料循环及核废物处置

铀矿开采与矿冶
铀矿开采 从铀矿中提取、浓缩、纯化精制天然铀产品
铀矿开采
浸出
提铀
核纯铀
形态
矿石
矿浆
粉末
陶瓷等 75%
铀含量
0.1%~0.2%
40%~70%
我国的铀矿开采和矿石提炼能力
中国有几十座矿山、铀水冶厂、铀开采联合企业 中国的铀处理厂在矿山附近。主要在
广东、江西、湖南等
据IAEA信息，中国有1200tU/y的冶炼能力 正在运行的矿石处理工厂
矿石


堆浸
黄饼

池浸
铀的提取和沉淀产出
目的
将浸出液中的铀与杂质分离 使铀得到部分浓缩 提取和沉淀方式 离子交换法 溶液萃取法 加入沉淀剂使铀化学浓缩物沉淀 将沉淀物洗涤、压滤、干燥 原料 含铀矿浆 产品 铀化学浓缩物(黄饼)
重铀酸钠 重铀酸氨
铀矿石开采
地位和作用 从地下矿床中开采出工业品位的铀矿石 或将铀经化学溶浸，生产出液体铀化合物 铀的开采 露天开采：露天出入沟
用于埋藏较浅的矿体 方法剥离表土和覆盖岩石，使矿石出露，然后进行采矿 穿孔爆破、采装、运输和排土 机械化程度高、生产能力大、生产成本低、劳动条件好
黄饼
六氟化铀
铀转化工厂
中国有三座铀转化厂，主要集中在中国的西北地区
即将建成在四零四厂的中国最大的集中铀转化厂，是我国规模 最大的六氟化铀生产厂
铀化合物的转化
铀的多形态化合物
铀氧化物、碳化铀、氮化铀、氢化铀、卤化物、六氟化 物 热中子堆燃料常见：铀的氧化物、铀的卤化物
铀化合物转换
将水冶产品铀浓缩物中的铀转换成核纯级铀金属或六氟 化物的全部物理－化学过程
核燃料循环及核废物处置
韩奎华
hkh@sdu.edu.cn
山东大学能源与动力工程学院 2010年5月
第七章
核燃料循环及核废物处置
7.1核燃料循环体系 7.2核燃料循环前端 7.3核燃料循环后端 7.4核废物分类与来源 7.5核废物的管理与处置 7.6中国核废物处置进展
核燃料循环 Nuclear Fuel Cycle
核工业总公司
我国铀矿石杂质分离的生产方式
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 堆浸
矿石开采后运至处理厂（mill）浸出 主要以北方可地浸砂岩型矿床为主（新疆、东 北、内，蒙古地区）
地浸
直接在矿井中浸出 以南方硬岩为主
堆浸提铀
矿石浸出
目的 在一定的工艺条件下，借助于一些化学溶剂 或其它手段，将矿石中有价值的组份，选择 性地浸出或者浸取 浸出方式 地浸 in situ leaching 直接在矿中浸出溶液的方式 堆浸heap leaching 在矿地将矿石堆在一起，用溶液浸出的 方式 原地爆破浸出工艺 先将矿石原地爆破破碎后浸出的方式 搅拌浸出（池浸） 将矿石运至水冶厂，在专用搅拌浸出池 中进行的方式 浸出液 酸法：硫酸 碱法：碳酸钠、碳酸氨、碳酸氢钠等 细菌浸出法：将矿石中的硫化物变成硫酸 浸出时间：3~10h, 几十小时不等 浸出率：85%~97%(搅拌浸出), 5%~15%(堆浸) 浸出的矿浆 经固液分离得到含铀的清液或稀矿浆
Fuel Fabrication (AGR, FBR, GCR, LWR, MAGNOX, MOX, PHWR, RBMK, Pellets)
世界铀资源
勘定储量：5Mt 推测储量：25Mt 包括海水中的铀：25Gt 世界上重要的铀矿资源国家
澳大利亚44％ 哈萨克斯坦20％ 加拿大18％ 南非8％ 美国、独联体、刚果、尼日利亚等
重力选矿、磁选选矿、放射性选矿
铀的水冶
将铀溶解的化学反应过程（用酸或碱的水溶液）
铀的纯化
从纯净的溶液中提取铀（浓缩和纯化使铀和杂质分开）达到较高 和核纯级要求的产品 (天然铀)
产品 固态铀化学浓缩物
铀水冶 重铀酸铵（黄饼）、三碳酸铀铵 纯化精制 核纯度的铀氧化物（ U O 黄饼）
7.1核燃料循环体系
Nuclear Fuel Cycle
前端
后端
Nuclear Fuel Cycle
核燃料循环系统
铀矿石开采和冶炼 铀转化 铀同位素浓缩 核燃料元件制造 核电站 乏燃料后处理 废物处理
前端
后端
核燃料的制造
冶炼 转化
矿石
黄饼
六氟化铀
浓缩
组装
烧结
芯块 组件
特点 • 中国第一个铀矿 • 选矿厂位于矿附近 •苏联技术 • 建于1960年 • 磁选分离
铀矿石的加工－冶炼
Uranium Ore Processing
铀含量 铀矿石中的铀含量只有千分之二
铀矿石平均含铀品位为：0.15％ 富矿：>0.4%
铀的矿冶工艺 从铀矿中提取、浓缩、纯化精制天然铀产品的过程 提炼方式 铀的选矿
核工业总公司
铀矿石
种类 沥青铀矿 钾钒铀矿 铀含量 铀矿石平均含铀品位为：0.15％ 富矿：>0.4% 储量测量 航空测量 铀矿石 谱仪 铀储量 探明储量：经过地质勘探，计算分析，得到的具体储量 预测储量：铀的矿床、矿田和成矿区域中比较有利的地区，根 据这些地区的成矿条件推算出来的
铀水冶产品--黄饼
水冶后的固态铀化学浓缩物 重铀酸铵，黄饼 精制后的铀氧化物产品 U3O8，黄饼 UF4 天然铀的原料 直接上国际市场 国际价格 20~100$/kg U3O8
yellow cake
铀转换 conversion
将水冶产品铀浓缩物中的铀转换成核纯级铀金属或六氟 化物(UF6)的全部物理－化学 过程
7.2 核燃料循环前端
世界铀资源 铀矿地质勘查 铀矿石开采和选冶 Mining 铀水冶
Uranium Ore Processing
铀化合物的转化
Conversion (UO2, UO3, UF4, UF6, U3O8, U)
铀的浓缩 Uranium Enrichment 核燃料元件制造
地下开采：井巷掘进
用于埋藏较深的矿体 凿岩爆破 井巷工程：决定了矿山基建时间
原地浸出（地浸）
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 具有生产成本低，劳动强度小 仅适用于具有一定地质、水文地质条件的矿床（砂岩型）
湖南彬州放射性选矿厂
矿浆浓密池
浸出
磨矿
矿石准备
江西抚州铀矿和铀矿加工厂
• 中国两大铀矿之一 Hengjian铀矿加工厂 建于1976年 产品： U308 product 用 A/IX (acid leaching/ion exchange)处理方法， 磁选分离 • 容量：200tU/y，正常产量：300tU/y
北方铀矿区以火山岩型、砂岩型为主地浸 南方铀矿区以花岗岩型为主堆浸
我国铀矿分布图
新疆 河北
陕西
江西
湖南 云南 广西 广东
浙江
我国的铀矿分布
已探明的铀矿 大小铀矿床(田)200多个 矿床以中小型为主 主要分布 江西、广东、湖南、广西，以及新疆、辽宁、云南、河北、内 蒙 古、浙江、甘肃等省(区) 主要的铀矿床 相山铀矿田、郴县铀矿床、下庄铀矿田、产子坪铀矿田、青龙 铀矿田、腾冲铀矿床、桃山铀矿床、小丘源铀矿床、黄村铀矿 床、连山关铀矿床、蓝田铀矿床、若尔盖铀矿床、芨岭铀矿床、 伊犁铀矿床、白杨河铀矿床 已经建成和新建的厂矿 衡阳铀矿、郴州铀矿、大浦街铀矿、上饶铀矿、抚州铀矿、乐 安铀矿、翁源铀矿、衢州铀矿、澜河铀矿、仁化铀矿、本溪铀 矿、蓝田铀矿、伊犁铀矿等
我国的东北、西北、西南及中南地区都蕴藏有铀
世界铀资源分布
加拿大 哈萨克斯坦
美国
价格
南非
澳大利亚
世界铀资源用于反应堆的产能效率
用于热中子反应堆
天然铀资源
勘定储量：5Mt 推测储量：25Mt 包括海水中的铀：25Gt
1t天然铀的产能值（MWd/t） 折算为标准煤吨数
不回收核 燃料
回收核燃料 并复用钚
贫料铀：0.2%（未料）
铀同位素分离扩散机群
Gaseous diffusion
铀同位素离心级联
Ultracentrifugation
日本的浓缩厂
青森県上北郡六ヶ所村大字尾駮字野附
铀同位素分离扩散机群 Gaseous diffusion
铀的浓缩
用于大多数核电站 动力反应堆铀燃料的主要形式：UO2 铀－235同位素的浓度 天然铀：0.712％（CANDU） 浓缩铀：2(轻水堆)~10％，低浓缩铀、高浓缩铀 贫料铀：0.2%（未料） 因为同位素有几乎相同的化学特性，不易用化学分离 铀的浓缩是精炼油的物理过程 利用微小质量差分离U238和U235 需首先将氧化物转换成六氟化铀气体:UF6 浓缩厂的最终产品为UF6
铀矿石
放大10000倍
铀矿
中国第一块铀矿石
我国的铀资源
中国是铀矿资源不甚丰富 我国铀矿探明储量居世界第10位之后，不能适应发 展核电的长远需要 矿床规模以中小为主 矿石品位偏低
一般在千分之一含量就要开采，成本较高 开发堆浸、地浸技术，可降低成本
我国逐步发现了花岗岩型38%、火山岩型22% 、砂岩 型19.5%和碳硅泥岩型16%四大类型的铀矿床
核纯标准
以硼当量的百万分之几的基准计算 当核燃料中有俘获中子的“杂质”时，将会降低核燃料 的效能
铀浓缩 enrichment
U235
天然铀 （0.7%U235）
低浓缩铀 （3~5%U235）
铀－235同位素的浓度 天然铀：0.712％（CANDU）
铀浓缩
铀浓缩 --同位素分离
浓缩铀：2(轻水堆)~10％，低浓缩铀、高浓缩铀
铀的精制
目的 精制盐过程，生成核纯度的铀 铀精制厂 转化成易于氢氟化的铀氧化物 精制方式 离子交换法 溶液萃取法 分布结晶法 原料 铀化学浓缩物(重铀酸钠、重铀酸氨) 产品 铀氧化物(U3O8、UO2等)、四氟化铀（UF4）等 煅烧 制取U3O8或UO2陶瓷
衡阳铀水冶厂，414厂，后改为272厂 （1000t/y） 抚州 hengjian铀水冶厂 （200t/y）
两个关闭
xx 伊宁（新疆）
我国铀矿采冶企业

中核金原铀业有限公司 核工业第四研究设计院 核工业北京化工冶金研究院 核工业江西矿冶局 核工业湖南矿冶局 核工业广东矿冶局 核工业甘肃矿冶局 核工业新疆矿冶局 核工业云南矿冶公司 属地化以后，核工业集团另外保留了8个矿（负责采矿） 和1个工厂（衡阳272厂，承担铀的水冶任务）。
黄饼yellow cake
含铀量40%~70% 仍含大量杂质
湖南衡阳铀水冶厂
• • • • • • 中国第一座且最大的大型铀水冶纯化厂 又名414厂、272厂 建于1958年 容量：1100tU/y，正常产量：500tU/y 用 A/IX (acid leaching/ion exchange)处理方法，磁选分离 产品： U308 product
铀矿地质勘查
地位和作用 不属于核燃料循环 提供铀矿储量信息 铀矿种类和价值 已发现170多种铀矿床及含铀矿物 具有实际开采价值只有14-18% 一般铀含量0.1-0.3%, 水银的50倍，黄金的1000倍 最高的含量21%,加拿大 主要在花岗岩中 影响铀矿床工业的主要因素 矿石品位 矿床储量 开采条件 普查勘探工作程序 区域地质调查、普查和详查、揭露评价、勘探等 地形测量、地质填图、原始资料编录等 我国需要5年以上的时间
复用钚
用于快中 子反应堆
81 405 40500 5500* 16225
118 590 59000 8000 * 23600
236 1180 11800 16000 *
8850 44250 442500 600000
按能值折算为标准煤单位：Gt标准煤
*: 分离工厂贫铀中U－235含量取0.2％
47200 1770000
铀矿地质勘查
铀矿 野外勘探 遥感合成图
铀矿地质勘探

核工业地质局 核工业北京地质研究院 核工业航测遥感中心 核工业西北地质局二Ｏ八大队 核工业地质局二一六大队 核工业东北地质局二四三大队 核工业西北地质局二Ｏ三研究所 核工业中南地质局二三Ｏ研究所 核工业东北地质局二四Ｏ研究所 核工业华东地质局二七Ｏ研究所 核工业西南地质局二八Ｏ研究所 核工业华南地质局二九Ｏ研究所