核燃料循环1核燃料循环2铀资源3勘探与采冶4转化5浓缩6元件制造7堆内使用和暂存8核燃料的处理6.1 核燃料循环Nuclear Fuel Cycle 前端后端4.1核燃料循环l核燃料循环l铀钚燃料循环、钍铀燃料循环l循环方式：一次通过，后处理燃料循环，先进燃料循环3核燃料的制造六氟化铀黄饼矿石冶炼转化浓缩芯块烧结组装组件世界铀资源l勘定储量：5Mtl推测储量：25Mtl包括海水中的铀：25Gtl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 l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/ /储量储量4.2铀资源铀现货价格变化Country or areaProduction (tU)20022003200420052006200720082009201020112012Kazakhstan280033003719435752796637852114,02017,80319,45121,317Canada11,60410,45711,59711,62898629476900010,173987391458999Australia68547572898295167593861184307982590059836991Niger30753143328230933434313530323243419843514667Namibia22332036303831473077287943664626449632584495Uzbekistan18601589201623002270232023382429240030003000Russia29003150320034313400341335213564356229932872USA88377987810391692165414301453166015371596China 73075075075075071276975082715001500Malawi00000001046708461101Ukraine800800800800800846800840850890960South Africa824758755674534539655563583582465India230230230230230270271290400400385Brazil270310300110190299330345148265231Czech Rep465452412408359306263258254229228Romania9090909090777775777790Pakistan3845454545454550454545Total36,03635,57640,17841,17939,67041,28243,85350,77253,66354,61058,394按国家分列的年铀产量4.2铀资源根据OECD/NEA与IAEA2011年铀:资源、生产和需求全球开采成本低于260美元/KGU的总探明资源量709. 66万tU.以现有的消耗速率,可满足100多年全球核电站的需要。未探明资源量约为1040.05万tU。4.2铀资源世界铀资源分布加拿大哈萨克斯坦澳大利亚南非美国价格世界铀资源用于反应堆的产能效率天然铀资源用于热中子反应堆用于快中子反应堆不回收核燃料回收核燃料并复用钚复用钚勘定储量：5Mt811182368850推测储量：25Mt405590118044250包括海水中的铀：25Gt4050059000118004425001t天然铀的产能值（MWd/t）5500*8000 *16000 *600000折算为标准煤吨数1622523600472001770000按能值折算为标准煤单位：Gt标准煤*: 分离工厂贫铀中U235含量取0.24.3勘探与采冶l铀矿地质研究l铀矿勘查l露天开采，地下开采l主要工艺：地浸、堆浸l2013年产量5.8万吨铀l数字化矿山11遥感合成图遥感合成图浸出浸出黄饼黄饼铀矿地质勘查l地位和作用不属于核燃料循环提供铀矿储量信息l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1418%一般铀含量0.10.3%, 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l影响铀矿床工业的主要因素矿石品位矿床储量开采条件l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年以上的时间野外勘探野外勘探遥感合成图遥感合成图铀矿地质勘查铀矿铀矿铀矿地质勘探 l核工业地质局l核工业北京地质研究院l核工业航测遥感中心 l核工业西北地质局二八大队 l核工业地质局二一六大队 l核工业东北地质局二四三大队 l核工业西北地质局二三研究所 l核工业中南地质局二三研究所 l核工业东北地质局二四研究所 l核工业华东地质局二七研究所 l核工业西南地质局二八研究所 l核工业华南地质局二九研究所 核工业总公司铀矿石铀矿放大10000倍中国第一块铀矿石我国的铀资源l中国是铀矿资源不甚丰富l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l矿床规模以中小为主l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l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广东湖南江西云南广西浙江新疆河北陕西4.4转化l将采冶得到的铀浓缩物中的铀转换为六氟化物(UF6)的物理/化学过程lUF6转化主要厂商：加拿大Cameco,法国Areva,美国ConverDyn,俄罗斯Rosatom,中国CNNC。年产量5.7万吨UF6。六氟化铀六氟化铀( (天然天然U-235U-235丰度丰度0.711%)0.711%)采用天然铀的反应堆则将铀浓缩物转化为UO2。主要厂商是Cameco及为本国提供需要的阿根廷、罗马尼亚、印度和中国的工厂。4.4转化铀转化工厂铀转化工厂六氟化铀黄饼中国有三座铀转化厂，主要集中在中国的西北地区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4.5浓缩l现在运行的大多数核电站都需使用浓缩后的铀l分离功单位(SWU)l方法：离心、扩散，研发激光分离技术主要浓缩厂：Urenco,Rosatom,CNNC等,USEC2013年产量4.7万吨SWU与后处理同属核扩散敏感技术天然铀（0.711%U235）低浓缩铀（2-5%U235）U235铀同位素分离扩散机群铀同位素分离扩散机群Gaseous diffusion铀同位素离心级联铀同位素离心级联Ultracentrifugation铀浓缩铀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）铀浓缩-同位素分离日本的浓缩厂青森県上北郡六所村大字尾駮字野附铀同位素分离扩散铀同位素分离扩散机群机群4.6燃料元件制造l全世界需求量超过6000tHM，压水堆4000tHM,沸水堆约2000tHM，还有重水堆元件，目前全球产能大于需求。l主要生产商：Areva、西屋公司、GNF、TVEL、CNNC压水堆燃料组件的制作压水堆燃料组件的制作1. 基本结构基本结构 图图给出了压水堆正方形燃给出了压水堆正方形燃料组件的示意图。料组件的示意图。 压水堆的燃料组件：正方压水堆的燃料组件：正方形或六角形形或六角形 控制棒导向管、上管座和控制棒导向管、上管座和下管座、定位格架。下管座、定位格架。 燃料棒靠定位格架保持位燃料棒靠定位格架保持位置，在上、下管座之间留有置，在上、下管座之间留有燃料棒热膨胀间隙。燃料棒热膨胀间隙。 压水堆水堆17 17型燃料型燃料组件、控制件、控制组件及燃料棒件及燃料棒4.6燃料元件制造 重水堆燃料组件的制作重水堆燃料组件的制作 CANDU-6型型重水堆燃料棒束重水堆燃料棒束组件件 天然天然UO2为陶瓷燃料芯为陶瓷燃料芯块、锆块、锆-4包壳及结构材料，包壳及结构材料，短棒束型燃料组件。短棒束型燃料组件。 重水堆燃料棒束组件由重水堆燃料棒束组件由UO2芯块、锆包壳、石墨中间芯块、锆包壳、石墨中间层、端塞、隔离块、支承垫层、端塞、隔离块、支承垫和端板七个部分组成。和端板七个部分组成。 典型的制造工艺过程可典型的制造工艺过程可分为三步：锆分为三步：锆-4合金结构合金结构件的加工、燃料棒的制备、件的加工、燃料棒的制备、燃料棒束的组装和检查。燃料棒束的组装和检查。4.6燃料元件制造4.7堆内使用和水池暂存284.8核燃料的处理乏燃料处理：对堆中用过的核燃料进行处理的过程。主要工艺：PUREX萃取法回收钚和铀。MA、LLFP。采用后处理路线的国家：俄罗斯、法国、英国、日本、印度、中国等。后处理能力（tHM/年）：法国2000，英国2400，日本800，俄罗斯400，印度260。中国中试厂。全世界每年卸出乏燃料1万吨。废物处置：高、中、低放射性废物 核燃料的后处理核燃料的后处理 （1）回收剩余的易裂变核素）回收剩余的易裂变核素235U和和Pu或或233U及可转换核素及可转换核素238U或或232Th。 （2）提取有用的裂变产物）提取有用的裂变产物90Sr、137Cs和超铀元素和超铀元素Np、Am和和Cm。 （3）去除长寿命的放射性核素和中子）去除长寿命的放射性核素和中子吸收截面大的裂变产物，对放射性废物吸收截面大的裂变产物，对放射性废物进行处理和处置。进行处理和处置。4.8核燃料的处理 放射性废物的处理和处置放射性废物的处理和处置 放射性废物通常定义为放射性废物通常定义为“含有放射性核素含有放射性核素或受放射性核素污染的预期不再使用的任何或受放射性核素污染的预期不再使用的任何材料，且放射性核素的浓度或放射性污染水材料，且放射性核素的浓度或放射性污染水平大于管理部门规定的豁免水平。平大于管理部门规定的豁免水平。” 放射性废物及其处置问题是几十年来在原放射性废物及其处置问题是几十年来在原子能应用领域中各国科学家、政府和公众最子能应用领域中各国科学家、政府和公众最为关注的问题之一。为关注的问题之一。4.8核燃料的处理 放射性废物的处置放射性废物的处置 1. 高放废物的处置高放废物的处置 使其与人类环境长期隔离。即乏燃料、高放使其与人类环境长期隔离。即乏燃料、高放玻璃固化块和超铀废物。玻璃固化块和超铀废物。 高放废物的最终处置方案：高放废物的最终处置方案： （1）深地层处置）深地层处置 巷道处置、岩石熔化和超深钻孔。巷道处置、岩石熔化和超深钻孔。 （2）海床处置）海床处置 目前尚有法律障碍。目前尚有法律障碍。 （3）分离嬗变）分离嬗变 锕系元素和长寿命的裂变产物，通过中子照锕系元素和长寿命的裂变产物，通过中子照射，嬗变为短寿命的核素。射，嬗变为短寿命的核素。4.8核燃料的处理2. 中低放废物处置中低放废物处置 陆地浅埋、岩洞处置、水力压裂和海沟投放。陆地浅埋、岩洞处置、水力压裂和海沟投放。3. 铀废石与尾矿的处置铀废石与尾矿的处置 （1）改革传统的采选冶工艺，尽可能地减少废）改革传统的采选冶工艺，尽可能地减少废物的产生量。物的产生量。（2）妥善处置退役关闭的矿山和选冶厂。）妥善处置退役关闭的矿山和选冶厂。（3）对废石场和尾矿坝进行最终处置。）对废石场和尾矿坝进行最终处置。 物理处置法，化学稳定法，植被法，综合法。物理处置法，化学稳定法，植被法，综合法。（4）研究新的最终处置技术）研究新的最终处置技术 浓缩法堆坝技术、细颗粒尾砂固化技术、尾矿浓缩法堆坝技术、细颗粒尾砂固化技术、尾矿烧粒技术、尾矿除镭技术等。烧粒技术、尾矿除镭技术等。4.8核燃料的处理