核反应堆工程03.pptx

核能开发与应用核能开发与应用深圳大学核技术研究所深圳大学核技术研究所赵海歌赵海歌2010-2011学年第二学期学年第二学期9、铀的同位素分离、铀的同位素分离概况：世界上绝大多数核电站都使用铀”235含量为2-5的低富集铀作核燃料，一些研究堆和快堆需要丰度较高的燃料，如游泳池式堆需要铀-235丰度为10的核燃料，快堆燃料含铀-235达25，高通量准则需要90的高浓铀。核武器的核材料也要用90的高浓铀。将天然铀(铀-235丰度为0.71)中的铀-235丰度提高，是通过铀-235和铀-238同位素分离实现的。铀同位素分离又叫铀-235的富集(过去叫铀的浓缩)。铀的同位素分离在核燃料循环中是十分重要、十分敏感的技术。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环同位素分离基本原理：同位素分离基本原理：利用同位素热力学性质上(相平衡和化学平衡)的差异 精馏、化学交换(单温、双温)、色谱(色层)、吸收、萃取、结晶和吸附诸方法。利用扩散性质上的差异 气体扩散、靶膜扩散、气体离心、热扩散、质量扩散、分子精馏(利用蒸发及扩散性质)等方法。广泛地讲，空气动力学诸方法也属这一类。利用电磁场或电场中物理性质的差异 电磁法、等高于体法(旋转等离子体法迁移方法。利用空气动力学性质上的差异 喷嘴、南非法(UcOR法)、射流法利用吸收光谱上的差异 分子激光、原子激光利用生物效应上的差异利用化学反应速度的差异：光化学反应，电解等第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环铀位素分离基本原理：铀位素分离基本原理：由于铀-235和铀-238的物理性质和化学性质相同，共差别只是原子核的质量数相差3，铀同位素分离就是利用这个原子核质量数的微小差别致使在反应程度或反应速度上出现的微小差别而采用物理或化学方法进行分离的。分离需要庞大的设备，消耗大量的能量。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环铀分离方法：铀同位素分离法是第二次世界大战期间美国实行研制第一颗原子弹计划曼哈顿工程(Manhattan Project)开始发展起来的。在20世纪60年代研究了多种方法，但迄今只有三种具备工业价值的分离方法：即气体扩散法、气体离心即气体扩散法、气体离心法和空气动力学法法和空气动力学法。正在研究的方法：激光法和化学交换法铀问位素分离的术语：分离单元。分离单元是同位素分离工厂中最小的单位，如一个气体扩散级，一个气体离心机。一个分离单元有一股进入物料流(供料即原料)，两股流出物料流(浓料或称浓缩流，即235U含量较高的物料和贫料或称尾料或贫化流，即铀235含量较低的物料)。每个分离单元在结构上完全一样，供料、浓料和贫料的量和相应的丰度值也一样。级或分离级：一个分离级出一个分离单元组成，或由几个分离单元并联而成。分离级简称级。级联：级联一般由很多分离单元串联、并联而成。“级联”是由若干级串联而成的，而级则由若干分离单元并联而成。级联中可以有几种不同结构的分离单元。按需要有多种多样的级联形式，分离单元或级的排列情况也千变万化。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环分离单元、级、级联示意图分离单元、级、级联示意图分离功(SWU)。为达到一定的富集度需要做的功。理论上在温度为58时，富集铀过程每个SWU702kwh，在实际过程中，每个SWU接近3000kWh。有的书中把分离功定义：从2.3kg天然铀生产1kg含1.4铀235的低浓铀且尾料为0.2铀235所需要的功。分离功是铀同位素分离工艺的耗功度量，铀同位素分离厂的生产能力都用SWU的数量表示，而不是用富集产品的数量表示。在工业上已经实现的三种铀同位素分离方法的特点如下每个分离单元的分离效果都很小，要达到分离要求，要把大量的分离单元并联、串联起来。要求被分离的铀物料为气态，六氟化铀是目前惟一的易挥发的铀化合物，六氮化铀在室温下是固体，其三相点(因相、液相、气相同时存在的温度)为64C，因此温度稍高就挥发为气体。处理六氟化蚀的问题是毒性高腐蚀性强。分离功价格高昂，核燃料富集的成本占总燃料成本的比重较大。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环气体扩散法气体扩散法原理：两种不同分子量的气体混合物在处于热运动平衡时，具原理：两种不同分子量的气体混合物在处于热运动平衡时，具有相向的平均动能，由于质量有相向的平均动能，由于质量(分子量分子量)不同，因而速度不同，不同，因而速度不同，其平均速度与质量的平方根成反比。较轻的分子的平均速度其平均速度与质量的平方根成反比。较轻的分子的平均速度较高，当由两种分子构成的气体混合物通过扩散膜时，较轻较高，当由两种分子构成的气体混合物通过扩散膜时，较轻分子和扩散膜碰撞的机会比较重的分子多，从而可以实现一分子和扩散膜碰撞的机会比较重的分子多，从而可以实现一定程度的分离。定程度的分离。为实现分离，要求尽量不发生分子的相互碰撞，因而要求扩为实现分离，要求尽量不发生分子的相互碰撞，因而要求扩散分离膜的孔径应小于气体分子运动的平均自由程。散分离膜的孔径应小于气体分子运动的平均自由程。所以气体扩散法分离六氟化铀气体中的铀所以气体扩散法分离六氟化铀气体中的铀-235和铀和铀-238的条件的条件是：气体压力必须足够低，膜必须很薄，膜的孔径必须足够是：气体压力必须足够低，膜必须很薄，膜的孔径必须足够小，约为小，约为0.01-0.03 m。当六氟化铀气体流过时，一部分气。当六氟化铀气体流过时，一部分气体从高压腔通过扩散膜进入低压腔，从而在膜的两侧形成了体从高压腔通过扩散膜进入低压腔，从而在膜的两侧形成了铀铀-235的微小浓度差。经过一系列分离级，就可达到对铀的微小浓度差。经过一系列分离级，就可达到对铀235和铀和铀238的分离要求。的分离要求。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环一个完整的气体扩散分离级应包括以下一些部分。(1)扩散分离器：又叫扩散筒，分离器一般做成圆桶形，在分离器内安装着一定形式、一定数量的扩散分离膜，分离股做成管状或平板状。分离膜大致有金属膜、陶瓷或非金属无机物胺，聚四氟乙烯膜三种，工业上一般采用烧结镍和阳极化的铝作为膜材料。每个分离器都有一个进科口，两个出料口和一个贫化流 (2)压缩机：在分离膜两边必须维持一定的压差。(3)热交换器(冷却器)：压缩机压缩六氟化铀气体后，气体温度会升高，需要热交换器进行冷却 使气体温度保持恒定。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环(4)调节器：用来调节分离级的流量，一般装在重流分管道上。(5)管道及测量仪表等：用于联结分离级及测量分离级的流量、温度、压力等参数。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环实际分离系数小于0，一般为1.003。由于铀-235和铀-238的分离系数非常小，为制得3的铀-235，需要把1200多个扩散分离级串联起来，为制得5的铀-235，需要约1500个扩散级。生产90以上铀-235的高浓铀，则需要几千个扩散级。气体扩散法需要的设备数量多，但过程简单，设备可靠性好，气体扩散厂由于需要把气体不断重新压缩，又有大旦废热需要排出，因而要消耗大量电能，每单位分离功耗电2500一3000 kwh，并消耗大量的冷却水。美国原子能委员会的扩散工厂生产能力为17000t分离功单位年，每年使用的总电力为600万千瓦总循环水量为510万吨日，生产成本为每公斤分离功单位32美元。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环气体离心法 气体离心法又叫离心法，是用强离心力场作用实现轻、重同位素分离的方法。在高速旋转的离心机中，轻、重同位素的气体温合物在离心力的作用下，较重的分子靠近离心机的外周浓集，较轻的分子在靠近轴线处浓集，因而可以分别引出略为贫化和略为浓缩的两种流分。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环离心机的转速越高，分离系数越大，生产能力也越大。因此要求离心机能达到很高的转速，一般要求其外周速度为300-500m/s，对于直径10cm的转筒，这相当于转速高达每分钟6万-10万转，因而对转筒的材料要求很高。转筒材料可用特殊铝合金钢、钛合金和高强度纤维复合材料等。分离铀同位素离心法远比扩散法有效。使用外周速度为300m/s的离心机，分离系数可达1.058把铀-235富集到3，只需要不到100级。离心法的能耗约为扩散法的1/7-1/10，能耗少是离心法的突出优点。但由于离心机的生产能力太小，要达到一定的生产规模，需要使用多台离心机并联。一座年产6000-10000t分离功的大型铀同位素分离厂，需要安装9万-10万台离心机。若单台离心机平均寿命为3年，则平均每天需更换上百台，不仅工作员很大，而且会干扰运行。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环空气动力学法空气动力学法又叫喷嘴分离法。德国首先对其进行了研究，后来在南非、荷兰和巴西得到发展。空气动力学法的原理是；在压力差的作用下，使用大量(约95)的氯气或氢气稀释的六氮化铀气体通过处于高度真空中的喷嘴的狭缝面膨胀，在膨胀过程中离心加速到超声速的气流顺着喷嘴沟的曲面壁弯转，轻重分子受到不同的离心力，较重的分子靠近壁而浓集，较轻的分子远离壁面浓集，利用喷嘴口处的分离楔尖分成重流分和轻流分，并分别抽出。掺入氦气