核燃料循环产业发展概况

世界浓缩能力——运行与计划（千SWU/y）
国家 法国 德国-荷兰-英国 日本 公司与铀浓缩厂 Areva，乔治-贝斯 I & II Urenco：格罗瑙厂，德国；阿尔莫洛，荷兰；卡彭赫 斯特，英国。 JNFL，六所村 2010 8500* 12,800 150 2015 7000 12,800 750 2020 7500 12,300 1500
中核集团：Hanzhun & Lanzhou
23,000
1300 100
33,000
3000 300
3035,000
60008000 300
巴基斯坦，巴西，伊朗， 多家小型工厂 印度
总分离功
需求 (WNA参考场景)
57,350
48,890
68,000
56,000
7481,000
66,535
气体扩散法：不同质量的气体分 子通过多孔膜时，由于过膜流动 的速度不同形成的分离过程。
巴西
纳米比亚 美国 中国 乌克兰 乌兹别克斯坦 蒙古
276,700
261,000 207,400 166,100 119,600 96,200 55,700
5%
5% 4% 3% 2% 2% 1%
目前铀消耗量 为68000tU/y。 按照这一消耗 量，目前已知 可采铀储量可 供使用近80 年。
约旦
Βιβλιοθήκη Baidu其他 总计
2005
4357 11628 9516 3093 3147 3431 2300 1039 800 750
2006
5279 9862 7593 3434 3067 3262 2260 1672 800 750
2007
6637 9476 8611 3153 2879 3413 2320 1654 846 712
Millions of SWU
40 30 20 10 0 1996 2001 GDP 2006 HEU 2011 Laser 2016
Centrifuge
铀浓缩能力供应方式
2000年 2010年 预计2017年
扩散法
离心法 激光 冗余高浓铀
50%
40% 0 10%
25%
65% 0 10%
0
93% 3% 4%
产品： 硝酸铀酰UO2(NO3)2 重铀酸铵(NH4)2U2O7
出什么样的精制产品取决于 所采用的精制工艺以及与后面 工厂衔接的需要。 U3O8是铀在空气中最稳定的 化合物，便于长期贮存。
三碳酸铀酰铵 (NH4)4[UO2(CO3)3]
八氧化三铀U3O8
铀水冶阶段的主要工艺方法：
由Honeywell Inc.公司开发的直接以铀矿浓缩物 （U3O8）为原料，实现全流程的流化床转化，而制得的粗 制UF6，采用分馏技术达到铀与杂质的分离到分离级规格， 从而取代了萃取精制。美国ConverDyn厂采用该生产技术。
1995-2009年铀转化价格走势
铀浓缩
全球铀浓缩能力及发展
The Changing Landscape of Enrichment Technology Supply 1996 - 2016 60 50
2008
8521 9000 8430 3032 4366 3521 2283 1430 800 769
2009
14020 10173 7982 3243 4626 3564 2657 1453 840 1200 104 563 290 345 258 …… 51 450 60 675 78%
2010
破 碎
选矿
磨矿
尾矿废弃
溶液回收
尾砂废弃 尾液废弃 苯余水相去配置淋洗液
铀化学 浓缩物
压滤干燥
沉淀
反萃取 萃取 有机萃取剂
反萃取剂
解吸
氨水
淋洗剂
铀转化
纯化 沉淀煅烧 氢还原为四价
黄饼
TBP萃取
UO2(NO3)2
U 3 O8
氟化
UO2
氢氟化 HF
UF6
UO2(NO3)2· 6H20 UO3+H2 UO2+4HF UF4+F2 6H2O+UO3+NO3+NO2
能耗高：2400 kWh/SWU； USEC称，电费占帕杜卡 气体扩散厂生产成本70%。
核燃料循环产业发展概况
核燃料循环是核燃料获得、使用、处理和回收利 用的全过程。 一次通过 •压水堆燃料循环 •重水堆燃料循环 •快堆燃料循环 •高温气冷堆燃料循环 闭合循环（铀钚复用）
压水堆核燃料循环流程图
100万千瓦压水堆的核燃料循环(一次通过方式)
U3O8 UF6 3%UF6
采冶
150tU
转化
损失0.5%
149.3tU
浓缩
27.2tU
燃料组件制造 损失0.5%
0.2%尾料122.1tU
乏燃料中间贮存 废物处置
26.05tHM 0.88tFP
25.8tU 0.25tPu
0.85%UO2
+FP+Pu
100万千瓦压水堆
热效率33％ 燃耗32.5MW.d/kgU 负荷因子80％
100万千瓦压水堆的燃料循环(铀钚复用方式)
230吨铀氧化物浓缩物（约含195吨铀） 288吨六氟化铀（195吨铀） 35吨浓缩六氟化铀（含24吨浓缩铀） – 其余为“尾料” 27 吨二氧化铀（24吨浓缩铀） 满功率下87.6亿kWh (8.76 TWh) 发电量，从而相当于 1TWh需22.3 吨天然铀 27吨，含240 kg超铀核素（主要是钚）， 23吨铀（ 0.8% U-235），1100 kg 裂变产物
UF4
UO2+H2O UF4+2H2O UF6+2HF
主要商业运行转化厂
公司 Cameco，霍普港转化厂，加拿大 Cameco，斯普林菲尔德转化厂，英国 JSC浓缩转化公司 (Atomenergoprom全资子公司)， Irkutsk & Seversk转化厂，俄罗斯 Comurhex (Areva)，皮埃尔拉特转化厂，法国 Converdyn公司， Metropolis转化厂，美国 中核集团，兰州，中国 能源和核研究所 （IPEN），巴西 Total 额定能力 (tU，UF6状态) 12,500 6000 25,000* 14,500 15,000 3000 90 76,090
WNA预计 2012年总 产量为 52221tU。 Uxc预计为 63600tU。
世界铀产量与需求
2011年，8大公司占世界天然铀产量85%的份额。
吨铀 KazAtomProm Areva Cameco ARMZ - Uranium One Rio Tinto BHP Billiton Navoi Paladin Other 8884 8790 8630 7088 4061 3353 3000 2282 8521 % 17 16 16 13 8 6 5 4 15
酸法离子交换法； 酸法溶剂萃取法； 碱法； 淋萃法； 堆浸法； 地浸法。
酸法离子交换工艺流程
铀矿石 硫酸 水
破 碎
选矿
磨矿
浸出
清液 离子交 或泥浆 换树脂 固液分离 吸附 或分级
尾矿废弃
尾砂废弃 溶液回收
尾液废弃
铀化学浓缩物
压滤干燥
沉淀
解吸 淋洗剂
氨水
淋萃工艺流程
铀矿石 硫酸 水 清液 离子交 矿浆 或泥浆 换树脂 浸出 固液分离 吸附 或分级
Total
54 610
100%
2011年产量最高的10大铀矿山。
矿山 McArthur River Olympic Dam Arlit Tortkuduk Ranger Kraznokamensk Budenovskoye 2 Rossing Inkai South Inkai Top 10 total 国家 加拿大 澳大利亚 尼日尔 哈萨克斯坦 澳大利亚 俄罗斯 哈萨克斯坦 纳米比亚 哈萨克斯坦 哈萨克斯坦 主要所有权人 Cameco BHP Billiton Somair/ Areva Katco JV/ Areva ERA (Rio Tinto 68%) ARMZ Karatau JV/Kazatomprom-Uranium One Rio Tinto (69%) Inkai JV/Cameco Betpak Dala JV/ Uranium One 类型 地下 副产品/ 地下 露天 ISL 露天 地下 ISL 露天 ISL ISL 生产量 (tU) 7686 3353 2726 2608 2240 2191 2175 1822 1602 1548 27,951 占世界总产量百 分比 14 6 5 5 4 4 4 3 3 3 52%
废物处置
乏燃料 后处理
分离的PuO2 0.55tPu
钚储存
复用PuO2 0.55tPu
MOX燃料 组件制造
0.88tFP 7.47tHM(含MOX中不回收的UO2)
天然铀 7.35tU
100万千瓦核电机组年度运行的材料平衡情况
采矿
冶炼 转化 浓缩 燃料制造 反应堆运行 乏燃料
20000~400000吨铀矿石
采冶
U3O8 79.5tU
转化
损失0.5%
天然UF6，79tU
浓缩
3%UF6 18.9tU
复用UF6,17.6tU
0.2%尾料77.7tU
UO2燃料 组件制造
损失1%
复用 UO2 17.7tU
乏燃料 中间贮存
UO2乏燃料 MOX乏燃料
1000MW 压水堆
热效率33％ 燃耗32.5MW.d/kgHM 负荷因子80％
2011年铀矿生产方法。
生产方法（2011年） 传统地下开采
传统露天开采
吨铀 16,059
9268
% 30%
17%
原地浸出 (ISL) 副产品
25,296 3987
46% 7%
1972年以来天然铀价格走势
铀水冶
铀矿石水冶厂通常建在接近铀矿山的地方，用于从矿石中 提取铀。多数铀矿都建有一座水冶厂，接近的几座铀矿也 可能使用一座水冶厂。水冶厂的产品一般为铀氧化物浓缩 物，有时也称为“黄饼”，通常含有80%以上的铀。矿石 中为0.1%甚至更少。
WNA 2009年市场报告， *运行能力估计为12,000~18,000 tU/yr
两种成功的UF6工业生产方法 • 精制UF4氟化法（湿法）
用湿法精制达到核纯级（99.95%）的UF4制取UF6符合 分离级纯度规格，直接送铀同位素分离厂作为供料。现为 世界上多数UF6生产厂所采用。
• 氟化物挥发法（全干法）
核燃料循环——平均周期
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
年
核燃料循环费用构成
环节 天然铀 铀转化 铀浓缩 元件制造 后处理和废物 合计 比例 40％ 3％ 26％ 11％ 20％ 100％
世界已知可采铀储量（2009年数据）
世界已知可采铀储量（2011年数据）
吨铀 澳大利亚 哈萨克斯坦 俄罗斯 加拿大 尼日尔 南非 1,661,000 629,000 487,200 468,700 421,000 279,100 占世界总量百分比 31% 12% 9% 9% 8% 5%
美国
美国 美国 美国
USEC，帕杜卡和派克顿
Urenco，新墨西哥 Areva，爱达荷 全球激光浓缩公司
11,300*
200 0 0
3800
5800 0 2000
3800
5900 3300 3500
俄罗斯
中国
Tenex：Angarsk, Novouralsk, Zelenogorsk, Seversk
17803 9783 5900 4198 4496 3562 2874 1660 850 1350 670 583 400 148 254 …… 54 660 64 461 78%
2011
19451 9145 5983 4351 3258 2993 3000 1537 890 1500 846 582 400 265 229 …… 54 610 64 402 85%
33,800
164,000 5,327,200
1%
3% 合理确定资源量+推断资源量，成本低于130 美元/kg U。成本低于260美元/kgU的可采储量 为7,096,600吨铀。
天然铀产量（tU）
2004
哈萨克斯坦 加拿大 澳大利亚 尼日尔 纳米比亚 俄罗斯 乌兹别克斯坦 美国 乌克兰(est) 中国(est) 马拉维 南非 印度(est) 巴西l 捷克 …… 总计 吨八氧化三铀 满足世界需求量 755 230 300 412 …… 40 178 47 382 674 230 110 408 …… 41 719 49 199 65% 534 177 190 359 …… 39 444 46 516 63% 539 270 299 306 …… 41 282 48 683 64% 655 271 330 263 …… 43 798 51 651 68% 3719 11597 8982 3282 3038 3200 2016 878 800 750