核能开发及应用05核燃料与核燃料循环
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1、核能开发及应用核能开发及应用第一章第一章核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环o 铀矿石浸出得到的浸出液中，铀的浓度仍然很低，每升溶液仅含铀几百毫克至1-2g，溶液中含有大量杂质，包括中子吸收截面高的元素，如硼(B)、镉(Cd)、稀土(RE:Rare Earth Element)、氯(Cl)等，以及可形成挥发性氟化物的元素，如钼(Mo)、钨(W)、铬(Cr)、钒(V)等，因此必须从这种浓度低、含有大量杂质的浸出液中，对铀进行提取和浓缩，制备较纯的铀化合物，然后再进一步纯化去杂质，得到纯铀化合物。o 方法：化学沉淀法、离子交换法、溶剂萃取法o 对铀浓度低的清液或矿浆，用离子交换法为好。o 对铀浓度
2、高的清液，用溶剂萃取法更为合适。铀的浓缩与纯化铀的浓缩与纯化o 许多无机化合物在水溶液中以阳、阴离子的形式存在。有些固体材料上的离子容易与水溶液中的离子进行交换，这些固体材料叫做离子交换树脂，可以进行阳离子交换的树脂叫阳离子交换树脂，可以进行阴离子交换的树脂叫阴离子交换树脂。离子交换树脂与水溶液的离子进行交换的过程叫做离子交换。水溶液中有的离子容易进行交换，有的不容易进行交换，这样就可以实现分离。进入树脂的溶液叫吸附液。交换上去的离子被树脂吸附，然后再用适当的试剂把它从树脂上洗脱下来进行回收，这个过程收做淋洗。o 使铀浸出液通过离子交换树脂，铀容易被吸附上去，而杂质不容易被吸附，再用比较少量的
3、淋洗浓将铀淋洗下来，从而实现了铀的浓缩和初步纯化，这就是用离子交换法提取铀。离子交换法离子交换法o 用离子交换法提取铀一般用阴离子交换树脂阴离子交换树脂，因为不论是用酸法浸出还是用碱法浸出，都可以在浸出液中形成铀的阴离子，但作为杂质的金属不易形成阴离子，因而可以通过阴离子交换选择性地吸附铀。用于铀水冶厂的典型阴离子交换树脂是强碱性的季铵型树脂。o 20世纪40年代，人们升始研究用离子交换法提取和浓缩铀。1952年以后，许多铀水冶厂采用离子交换法处理蚀浸出液，这是由于离子交换池的选择性好，能得到纯度较高的铀浓缩液，离子交换树脂可以循环使用，试剂消耗量较小，并能从矿浆中提取铀。但是离子交换法存在着
4、生产速度慢，树脂对铀的吸附容量小，不便连续操作等缺点。o 溶剂萃取又叫作液-液萃取，简称萃取。它是使不互溶或基本上不互溶的两液相互接触，利用各组分在两相间不同的分配关系，使组分从一浓相传入另一液相，从而实现组分间分离的过程。o 需要进行分离处理的液相称为原料液或料液，另一个液相称为溶剂。经过两相充分接触后，原料液中的溶质分配在两相中达到平衡。而后使两相分离开来，料液成为萃余液，溶剂成为萃取液。一般情况下，料液是水溶液，称为水相，溶剂是有机物，称有机相。纯的溶剂叫萃取剂，萃取后的溶剂叫萃取液。o 在通过萃取实现了组分的分离后，为了回收进入萃取剂中的组分，需要用与萃取剂不互溶的另一液相与其接触，使
5、组分进入该液相，这个过程叫作反萃取，简称反萃。进行反萃的另一液相就叫反萃液。有时在反萃前还要用纯水或酸、碱、盐的水溶液对萃取别处理一下，这个过程叫做洗涤。溶剂萃取法溶剂萃取法o 精制主要用溶剂萃取法进一步去除杂质，制成核纯的铀化合物，并通过沉淀制成铀氧化物(二氧化铀、八氧化三铀、三氧化铀)。为了进行铀的同位素分离，需进行铀的转化，即将铀的氧化物转化成四氟化铀、六氟化铀，也可转化成金属铀进行其他的应用。铀的精制与转化铀的精制与转化o 铀水冶厂得到的铀化学浓缩物，一般为重铀酸盐或三碳酸铀酰盐。这些浓缩物在纯度和化学形态上都不能满足应用要求，因而需要进一步精制(纯化)o干法为美国阿贡国立实验室开发的
6、无水氟化物挥发法，即将铀浓缩物直接氟化，然后再将得到的六氟化铀进行纯化，就可得到核纯产品。o工程上采用分段氟化的方法，把氟化反应器分为低温区和高温区，四氟化铀首先在低温区(250 以下)生成中间氟化物，然后把中间氟化物送入高温区，进一步转化为六氟化铀。高温区温度的选择以设备材料不受腐蚀和物料不发生烧结为准。氟化反应设备主要有流化床反应器、火焰反应炉和螺旋搅拌反应器。o四氟化铀制备金属铀的方法：用高纯的金属镁或钙进行还原。反应在还原反应器(反应弹)中进行，还原反应器具有钢制外壳，内部用高纯耐火材料氟化钙或氟化镁作衬里。将四氟化铀粉末和钙屑或镁屑均匀混合后装入反应弹。用钙还原时在弹内加热或点火，用
7、镁还原需把反应弹放入电炉中加热，使物料温度达到600一700。反应一旦开始就迅速自发进行，在很短的时间内即可完成。此时弹内温度超过铀的熔点，达到1600以上。熔化的金属铀聚集在反应弹的底部，氟化钙或氟化镁形成熔渣浮在金属表面。冷却后洗去熔渣，再用酸洗和喷砂清理表面得到粗铀锭。粗铀锭可直接应用，也可在真空感应炉中进一步纯化后再使用。钙热还原的规模可以根据需要从几公斤、几十公斤、几百公斤直到上吨级。直径0.3一0.4m，高1m的反应弹，每次可制备约100kg的粗铀锭。大型反应弹的生产能为可达1t以上。在通常情况下，反应弹可反复使用150次。铀的精制方法：干法铀的精制方法：干法o一般都采用经典的湿法
8、处理，包括化学沉淀法、离子交换法和溶剂萃取法等。o目前多采用溶剂萃取法。萃取法的优点是选择性好，回收率高，设备简单且容易实现连续化生产和自动化。可使用的萃取剂有二乙醚，甲基异丁酮和磷酸三丁酯(TBP)。o将铀化学浓缩物用钢筒由水冶厂运抵转化厂，先把铀的化学浓缩物溶解于硝酸中，经过滤后，用磷酸三丁酯进行萃取分离，再用1的硝酸溶液或蒸馏水反萃得到高纯度、高浓度的硝酸铀酰溶液，硝酸铀酰浓度一般为100一300g/L，硝酸浓度为0.05mol/L左右。o先将硝酸铀酰溶液加热蒸发结晶，冷却至室温，得到黄色晶体硝酸铀酰六水合物UO2(NO3)262O，然后将硝酸铀酰水合物加热至300热解脱硝生成三氧化铀铀
