核工程导论-第二部分铀浓缩的主要方法介绍课件.ppt

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1、第二部分 铀浓缩的主要方法介绍 清华大学工程物理系清华大学工程物理系周明胜周明胜20102010年年8 8月月核纯级天然铀，仍是核纯级天然铀，仍是U-238U-238，U-235U-235，U-234U-234的混合物的混合物其中易裂变核素其中易裂变核素U-235U-235仅占总量的仅占总量的0.7l20.7l2，天然铀中，天然铀中U-U-234234的含量仅占的含量仅占0.0080.008，轻水堆、压水堆需使用低浓铀作燃料，其轻水堆、压水堆需使用低浓铀作燃料，其U-235U-235富集度一富集度一般为般为2525，核潜艇需要，核潜艇需要U-235U-235富集度为富集度为2020，而快堆用铀

2、，而快堆用铀作燃料时，则需将作燃料时，则需将U-235U-235富集度提高到富集度提高到2525左右左右至于高中子通量的材料试验堆则需使用至于高中子通量的材料试验堆则需使用U-235U-235富集度大于富集度大于9090的高浓铀作燃料的高浓铀作燃料对浓缩铀的需求情况 浓缩铀技术的发展经历了电磁法、喷嘴法、浓缩铀技术的发展经历了电磁法、喷嘴法、浓缩铀技术的发展经历了电磁法、喷嘴法、浓缩铀技术的发展经历了电磁法、喷嘴法、化学交换法、气体扩散法、气体离心法、激光法化学交换法、气体扩散法、气体离心法、激光法化学交换法、气体扩散法、气体离心法、激光法化学交换法、气体扩散法、气体离心法、激光法等多个阶段。

3、但目前具有商用价值的仅有气体扩等多个阶段。但目前具有商用价值的仅有气体扩等多个阶段。但目前具有商用价值的仅有气体扩等多个阶段。但目前具有商用价值的仅有气体扩散法和气体离心法，激光法具有潜在的竞争力，散法和气体离心法，激光法具有潜在的竞争力，散法和气体离心法，激光法具有潜在的竞争力，散法和气体离心法，激光法具有潜在的竞争力，但具备商用还需时日。但具备商用还需时日。但具备商用还需时日。但具备商用还需时日。浓缩铀技术的发展一、气体扩散法 其原理是基于两种不同分子量的气体混合物在热运动平衡其原理是基于两种不同分子量的气体混合物在热运动平衡时，具有相同的平均功能和不同的运动速度时，具有相同的平均功能和不

4、同的运动速度 扩散法分离的级分离系数 一个扩散级的分离效果通常用级分离系数来表示。一个扩散级的分离效果通常用级分离系数来表示。级分离系数的定义为：产品中所需同位素的相对浓度与贫级分离系数的定义为：产品中所需同位素的相对浓度与贫料中该同位素相对浓度的比值。料中该同位素相对浓度的比值。实际的分离系数远低于理论值，具体数值决定于设备结构、膜的特性及其它工艺条件。由于单级的分离效果不大，为了得到5的浓缩铀，便需把近千个扩散级串联起来；如要生产高浓铀便需串联数千个扩散级.用气体扩散法分离铀同位素，为使工艺气体通过扩散膜，用气体扩散法分离铀同位素，为使工艺气体通过扩散膜，必须在级间不断地对它进行重新压缩，

5、因此气体扩散厂要必须在级间不断地对它进行重新压缩，因此气体扩散厂要消耗大量的电能。一座生产能力为消耗大量的电能。一座生产能力为1700017000吨分离功单位吨分离功单位/a/a的的扩散厂，需要消耗的总电功率约为扩散厂，需要消耗的总电功率约为600600万万kWkW。压缩气体所用。压缩气体所用的功最后全部变成废热。因此在选择扩散厂厂址时，必须的功最后全部变成废热。因此在选择扩散厂厂址时，必须考虑大量的冷却水消耗。考虑大量的冷却水消耗。尽管用气体扩散法分离铀同位素存在上述问题，但因其具尽管用气体扩散法分离铀同位素存在上述问题，但因其具有工艺过程比较简单、设备运行稳定可靠、容易在工程上有工艺过程比

6、较简单、设备运行稳定可靠、容易在工程上实现等优点，所以这种铀的浓缩方法为各国所普遍采用实现等优点，所以这种铀的浓缩方法为各国所普遍采用二、离心机浓缩铀目前工业用浓缩铀离心机目前工业用浓缩铀离心机以工作频率分以工作频率分以工作频率分以工作频率分超临界离心机超临界离心机超临界离心机超临界离心机亚临界离心机亚临界离心机亚临界离心机亚临界离心机均匀转子均匀转子均匀转子均匀转子多节转子多节转子多节转子多节转子以转子材料分以转子材料分以转子材料分以转子材料分金属材料离心机金属材料离心机金属材料离心机金属材料离心机金属内衬复合材料离心机金属内衬复合材料离心机金属内衬复合材料离心机金属内衬复合材料离心机全复合

7、材料离心机全复合材料离心机全复合材料离心机全复合材料离心机离心法工业化生产浓缩铀的国家及生产能力离心法工业化生产浓缩铀的国家及生产能力离心法约占世界浓缩铀生产能力的离心法约占世界浓缩铀生产能力的50%50%国国国国 家家家家生产能力生产能力生产能力生产能力(10(103 3kgSWU/a)kgSWU/a)Urenco(Urenco(德、英、荷德、英、荷德、英、荷德、英、荷)40004000日本日本日本日本800800俄罗斯俄罗斯俄罗斯俄罗斯2000020000中国中国中国中国10001000巴基斯坦巴基斯坦巴基斯坦巴基斯坦？外套筒电机供料贫料精料转子离心机示意图离心机示意图供料供料贫料贫料精料

8、精料磁轴承和阻尼装置磁轴承和阻尼装置精取料器精取料器挡板挡板中心供料点中心供料点转子转子外套筒外套筒贫取料器贫取料器电机电机下轴承下轴承工厂对离心机的要求稳定性好稳定性好稳定性好稳定性好可靠性高可靠性高可靠性高可靠性高抗干扰能力强抗干扰能力强抗干扰能力强抗干扰能力强寿命长寿命长寿命长寿命长一致性好一致性好一致性好一致性好分离能力大分离能力大分离能力大分离能力大经济性好经济性好经济性好经济性好运行参数应有良好的稳定性运行参数应有良好的稳定性寿命期内失效率低寿命期内失效率低能够抵御一定裂度的地震能够抵御一定裂度的地震寿命当然越长越好寿命当然越长越好机器台差应尽可能小机器台差应尽可能小单机分离能力应

9、尽量大单机分离能力应尽量大机器造价应尽量低机器造价应尽量低离心机的最大理论分离功率DD 扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数 气体密度气体密度气体密度气体密度 R R 气体常数气体常数气体常数气体常数T T 温度温度温度温度 K L K L 长度（挡板间的分离室长度）长度（挡板间的分离室长度）长度（挡板间的分离室长度）长度（挡板间的分离室长度）V V 离心机内表面圆周速度离心机内表面圆周速度离心机内表面圆周速度离心机内表面圆周速度 同位素质量差同位素质量差提高离心机单机分离功率的途径增加离心机转子长度增加离心机转子长度提高离心机圆周速度提高离心机圆周速度降低温度降低温度提高效率提高效率转子长径比、

10、临界问题转子长径比、临界问题材料比强度问题材料比强度问题冷凝问题冷凝问题转子内部结构、流场分布问题转子内部结构、流场分布问题工作频率高于转子固有频工作频率高于转子固有频工作频率高于转子固有频工作频率高于转子固有频率的离心机称为超临界离率的离心机称为超临界离率的离心机称为超临界离率的离心机称为超临界离心机心机心机心机工作频率低于转子固有频工作频率低于转子固有频工作频率低于转子固有频工作频率低于转子固有频率的离心机称为亚临界离率的离心机称为亚临界离率的离心机称为亚临界离率的离心机称为亚临界离心机心机心机心机通过加波纹管可以降低转通过加波纹管可以降低转通过加波纹管可以降低转通过加波纹管可以降低转子的

11、固有频率。子的固有频率。子的固有频率。子的固有频率。通过增加转子的轴向杨氏通过增加转子的轴向杨氏通过增加转子的轴向杨氏通过增加转子的轴向杨氏模量可以提高转子的国有模量可以提高转子的国有模量可以提高转子的国有模量可以提高转子的国有频率频率频率频率关于临界频率关于转子材料关于转子材料薄壁转筒的内应力可以近视为：薄壁转筒的内应力可以近视为：转筒的断裂线速度转筒的断裂线速度：材料材料最大应力最大应力GPaGPa密度密度kg/mkg/m3 3允许转速没允许转速没m/sm/s镁镁0.350.3518001800340340铝铝AlMgZnAlMgZn0.640.6428002800370370钢钢NiCo

12、Mo131510NiCoMo1315103.03.081008100540540材 料 抗拉强度b MPa密度g/cm3 最高线速度Vm/s备 注LC4铝合金5002.8425C3机用7A60超高强铝合金6282.8470钛合金9004.6440高强度钢17008455马氏体时钢250030008.1550600NC机用玻纤/树脂7001.9600碳纤维/树脂16001.6950尼龙/树脂15001.31100玻纤/树脂/7A601500/690FL机用几种离心机转子用材料的基本情况关于提高单机的分离效率关于提高单机的分离效率转子内部流场的分布转子内部流场的分布中心供料点的位置中心供料点的位置

13、中心供料点的位置中心供料点的位置挡板的位置及其开孔的位置形状及大小挡板的位置及其开孔的位置形状及大小挡板的位置及其开孔的位置形状及大小挡板的位置及其开孔的位置形状及大小精、贫取料器的半径尺寸及头部形状精、贫取料器的半径尺寸及头部形状精、贫取料器的半径尺寸及头部形状精、贫取料器的半径尺寸及头部形状波纹管的形状波纹管的形状波纹管的形状波纹管的形状转子端部温度转子端部温度转子端部温度转子端部温度转子侧壁温度分布转子侧壁温度分布转子侧壁温度分布转子侧壁温度分布供、精、贫料流量的控制供、精、贫料流量的控制供、精、贫料流量的控制供、精、贫料流量的控制 两种不同形式的离心机目前世界上投入商业应用的离心机分两

14、种类型：目前世界上投入商业应用的离心机分两种类型：目前世界上投入商业应用的离心机分两种类型：目前世界上投入商业应用的离心机分两种类型：超临界型离心机超临界型离心机 离心机转子运行于超临界转速下，在转子直离心机转子运行于超临界转速下，在转子直离心机转子运行于超临界转速下，在转子直离心机转子运行于超临界转速下，在转子直径相同且转速相同时增加转子长度从而增加单机径相同且转速相同时增加转子长度从而增加单机径相同且转速相同时增加转子长度从而增加单机径相同且转速相同时增加转子长度从而增加单机分离功分离功分离功分离功(URENCO(URENCO(URENCO(URENCO，日本，日本，日本，日本)，有非均匀

15、转子和均匀转，有非均匀转子和均匀转，有非均匀转子和均匀转，有非均匀转子和均匀转子两种形式子两种形式子两种形式子两种形式单节亚临界型离心机单节亚临界型离心机 单机分离功较小，转子运行于亚临界转速，单机分离功较小，转子运行于亚临界转速，单机分离功较小，转子运行于亚临界转速，单机分离功较小，转子运行于亚临界转速，在相同占地面积下，离心机在垂直方向多层安装在相同占地面积下，离心机在垂直方向多层安装在相同占地面积下，离心机在垂直方向多层安装在相同占地面积下，离心机在垂直方向多层安装(俄罗斯俄罗斯俄罗斯俄罗斯)超临界离心机 美国的离心机美国的离心机多层安装的亚离心机(俄式)浓缩铀离心级联浓缩铀级联从形式上

16、可分为两种：浓缩铀级联从形式上可分为两种：浓缩铀级联从形式上可分为两种：浓缩铀级联从形式上可分为两种：欧式单层架刚性级联欧式单层架刚性级联俄式多层架柔性级联俄式多层架柔性级联两种不同形式的离心级联：单层架单层架单层架单层架(西欧型西欧型西欧型西欧型)1 1 1 1、级联每级的机器数按理想级联流量要求布置级联每级的机器数按理想级联流量要求布置级联每级的机器数按理想级联流量要求布置级联每级的机器数按理想级联流量要求布置 2 2 2 2、单机的贫料和供料管道上装有声速流量孔板单机的贫料和供料管道上装有声速流量孔板单机的贫料和供料管道上装有声速流量孔板单机的贫料和供料管道上装有声速流量孔板 3 3 3

17、 3、级联的精、贫料丰度不可调节级联的精、贫料丰度不可调节级联的精、贫料丰度不可调节级联的精、贫料丰度不可调节 4 4 4 4、不同丰度的产品需要用某几种可生产丰度的不同丰度的产品需要用某几种可生产丰度的不同丰度的产品需要用某几种可生产丰度的不同丰度的产品需要用某几种可生产丰度的产品配制产品配制产品配制产品配制 5 5 5 5、整个工厂由多个并联的小级联组成。可同时整个工厂由多个并联的小级联组成。可同时整个工厂由多个并联的小级联组成。可同时整个工厂由多个并联的小级联组成。可同时生产几种丰度的产品生产几种丰度的产品生产几种丰度的产品生产几种丰度的产品单层架级联F,CF,CF FP,CP,CP P

18、W,CW,CWW理想级联的形状理想级联的形状多层架级联1 1、级联的连接方式类似于扩散级联，整个工厂由一级联的连接方式类似于扩散级联，整个工厂由一级联的连接方式类似于扩散级联，整个工厂由一级联的连接方式类似于扩散级联，整个工厂由一个大级联组成个大级联组成个大级联组成个大级联组成2 2 2 2、由于机组大，每级所布置的机器数不可能非常接、由于机组大，每级所布置的机器数不可能非常接、由于机组大，每级所布置的机器数不可能非常接、由于机组大，每级所布置的机器数不可能非常接近理想级联的流量分布近理想级联的流量分布近理想级联的流量分布近理想级联的流量分布3 3 3 3、每一级的贫料压力都可以调节（亦即分离

19、系数和、每一级的贫料压力都可以调节（亦即分离系数和、每一级的贫料压力都可以调节（亦即分离系数和、每一级的贫料压力都可以调节（亦即分离系数和分流比都可调节）分流比都可调节）分流比都可调节）分流比都可调节）4 4 4 4、级联以多层架形式构成，可以根据所需生产丰度，、级联以多层架形式构成，可以根据所需生产丰度，、级联以多层架形式构成，可以根据所需生产丰度，、级联以多层架形式构成，可以根据所需生产丰度，调整级联参数不需要配料。调整级联参数不需要配料。调整级联参数不需要配料。调整级联参数不需要配料。5 5 5 5、在某一时间内只能生产一种丰度的产品、在某一时间内只能生产一种丰度的产品、在某一时间内只能

20、生产一种丰度的产品、在某一时间内只能生产一种丰度的产品多层架级联F1,CF1,CF FF2,CF2,CF FP,CP,CP PW,CW,CWWF,CF,CF FP,CP,CP PW,CW,CWW级联层架图级联层架图等效级联图等效级联图P,CPF,CFW,CWW,CWF1,CFF2,CF离心法浓缩铀工厂的运行选用最优化的级联运行结构和参数选用最优化的级联运行结构和参数选用最优化的级联运行结构和参数选用最优化的级联运行结构和参数工艺参数（级联内的压力、流量等）工艺参数（级联内的压力、流量等）工艺参数（级联内的压力、流量等）工艺参数（级联内的压力、流量等）辅助工艺参数（冷却水温度流量、厂房温度等）辅

21、助工艺参数（冷却水温度流量、厂房温度等）辅助工艺参数（冷却水温度流量、厂房温度等）辅助工艺参数（冷却水温度流量、厂房温度等）维护工厂的正常、连续运行维护工厂的正常、连续运行维护工厂的正常、连续运行维护工厂的正常、连续运行(五大连续）五大连续）五大连续）五大连续）连续的供取料连续的供取料连续的供取料连续的供取料连续的供电连续的供电连续的供电连续的供电连续的冷却水连续的冷却水连续的冷却水连续的冷却水连续保持级联的密封状态连续保持级联的密封状态连续保持级联的密封状态连续保持级联的密封状态连续的压缩空气供应连续的压缩空气供应连续的压缩空气供应连续的压缩空气供应采用先进设备，降低运行成本采用先进设备，降

22、低运行成本采用先进设备，降低运行成本采用先进设备，降低运行成本离心工厂工艺流程示意图UFUF6 6压热罐压热罐减压减压级联级联精料压缩机精料压缩机贫料压缩机贫料压缩机-20-20盐水盐水天然天然UF6UF6净化管线铜质导热隔板冷Freon线，-80热Freon线，80气态UF6气态UF6卸料线电磁气动阀冷凝升华器示意图UF6HF04空气精料风冷收料示意图精料风冷收料示意图贫料收料示意图贫料收料示意图补压机气态卸料线冷、热乙二醇贫料冷升器48喷淋水3M3贫料容器三、激光分离法 原子激光分离法的原理是：利用激光束对铀蒸汽的选择性激发，235U选择性电离后再通过电场或磁场从中性分子中分离出来。激光分

23、离主要采用分子激光法和原子激光法两种激光分离主要采用分子激光法和原子激光法两种方法，我国目前采用原子激光法。方法，我国目前采用原子激光法。四、喷嘴分离法 喷嘴分离法的原理是：对于供料流，如果把分流劈置于适当的位置，根据气体通过曲壁时产生的离心力差，较重分子靠近壁面富集，较轻分子远离壁面富集。几种铀浓缩方法的工艺参数比较 方法方法分离分离系数系数操作操作温度温度/操作操作压压力力/MPa装料量装料量g(U)/分离功分离功.a电电力消耗度力消耗度/kg(分离功分离功)气体气体扩扩散法散法1.004370-1000.071-0.101100-2002500高速离心法高速离心法1.140-500.10

24、10.15100-400喷喷嘴分离法嘴分离法1.015400.0251006600激光法激光法大大少少大大化学交化学交换换法法1.001320（湿法）（湿法）500-1000600工业应用的铀同位素分离方法比较：项项项项 目目目目气体扩散气体扩散气体扩散气体扩散高速离心高速离心高速离心高速离心单机分离系数单机分离系数单机分离系数单机分离系数1.0021.0021.21.2生产生产生产生产3.0%3.0%产品所需级数产品所需级数产品所需级数产品所需级数120012001414单机最大分离功单机最大分离功单机最大分离功单机最大分离功SWU/a(kg)SWU/a(kg)33003300150150经

25、济规模经济规模经济规模经济规模10103 3kgSWU/akgSWU/a5000500010001000单位耗电量单位耗电量单位耗电量单位耗电量(kWh/kgSWU)(kWh/kgSWU)25002500100100单位分离功成本单位分离功成本单位分离功成本单位分离功成本($/kgSWU)($/kgSWU)135135105105五、基本概念 （一）同位素丰度摩尔丰度摩尔丰度质量丰度质量丰度 利用：其中：M1、M2分别是第一、二种同位素的摩尔质量可以推导出两种丰度之间的关系式：对铀同位素分离来说，质量丰度除了可以用UF6来计算外，还可以按金属铀来计算，即表示铀-235在金属铀中的含量。如：天然

26、铀的235UF6的摩尔丰度Cmol为0.0072，按UF6计算的质量丰度为：天然铀中铀-235的质量丰度如按金属铀计算则为：可见，当两种同位素的摩尔质量相差不大时，以上三种不同的丰度差别不大。（当然对轻元素差别会比较大）对铀同位素来说，两种丰度的差异极小天然丰度（天然丰度（%）原子弹用（原子弹用（%）C Cmolmol0.00720.00720.900.90C Cmm(按按U U计算计算)0.007110.007110.8990.899C Cmm(按按UFUF6 6计算计算)0.007140.007140.8990.899天然铀同位素的丰度：同位素同位素234234U U235235U U23

27、8238U U丰度（丰度（%）0.00640.00640.720.7299.23999.239一般情况下，可忽略234U，认为是双组分。用C表示235U 的丰度，1-C表示238U的丰度但是，对于堆后料237U、239U（半衰期短）、234U，就要考虑234U的影响丰度比(相对丰度)R=C/(1-C)浓缩系数（重馏分浓缩系数、轻馏分浓缩系数）分流比分流比 或 分离系数和浓缩系数分离系数和浓缩系数分离系数（重馏分分离系数、轻馏分分离系数、全分离系数）分离功率与价值函数 伊朗核问题是目前敏感的问题，2年前，伊朗建成并启动运行了由164台离心机组成的离心级联，国际舆论哗然。有人认为伊朗很快就可以得到

28、足够生产一颗原子弹的浓缩铀，也有专家认为伊朗的离心机每台分离功率只有1公斤铀/年，现有的离心机要想造出原子弹至少需要5年。我们知道，在一颗原子弹至少需要20Kg的235U丰度约为90的金属铀，如何将离心机的分离能力和最终的产品的联系起来呢？首先从价值函数与分离功率的概念出发，求出普遍表达式 设：V是与丰度C相关的一个特征函数。分离机器的作用是使气体的V增加，可理解为，分离机器做了“功”，使气体的“价值”增加。因此，可以称V为价值函数，它表达了丰度为C时单位质量物质的价值是只和丰度C有关而和机器的参数无关的一个量，可写为 V(C)。分离功率与价值函数的物理意义和表达式分离功率与价值函数的物理意义

29、和表达式 G C(1-)G，C-G，C+对右图所示分离级，进入流量为G，丰度为C，价值量为 GV(C)。经过分离，流出轻馏分流量为 G，丰度为C+，价值量 G V(C+)，流出重馏分流量为（1-）G，丰度为C-，价值量为:以U 表示经过一个分离级单位时间价值的增加，也称价值增率，则有：在在 价值增率第二节 分离功率与价值函数的特点分离功率与价值函数的特点Y函数的应用：U=P V(C+)+WGV(C-)-FV(C)应用一个核电站，发电能力为一个核电站，发电能力为9090万千瓦。若每年消耗万千瓦。若每年消耗3 3丰度的丰度的金属铀金属铀2525吨吨 ，问至少需要总分离功率为多大的分离工厂，问至少需要总分离功率为多大的分离工厂来给它提供核燃料？（设分离工厂的来给它提供核燃料？（设分离工厂的C CF F0.007110.00711，C CWW0.0025)0.0025)。基本概念：基本概念：1 1万千瓦的发电万千瓦的发电1 1吨分离功率吨分离功率