铀转化(I)

铀以U3O8或者过氧化物聚合形式离开铀矿。这些物质还是还有很多杂质,在转化成为UF6浓缩之前必须要精炼。

在美国、加拿大、法国、俄罗斯和中国,铀转化工厂已经在商业运行。最大的铀转化工厂——阿海珐金属和氟化铀炼制公司在法国两个厂址运行。中国铀转化预计在2025年会大幅度增加,保持和国内需求同步。

美国的转化线利用干氟化挥发方法来转化得到UF6,在其他国家的转化线都利用湿法。

世界铀基本转化能力表
公司 铭牌能力(以UF6计算,吨铀) 2013年大约使用能力
Cameco Port Hope Ont 加拿大 12500 70%
Cameco Springfields 英国 2014年8月关停 83%
JSC浓缩转化公司 Irkutsk & Seversk 俄罗斯 25000* 55%
Comurhex(阿海珐) Malvesi(UF4)& Tricastin(UF6)法国 15000 70%
Converdyn Metropolis 美国 15000 70%
中核集团 兰州 中国 3650** 未知
IPEN 巴西 40 70%
世界总计 71000

*世界核能协会世界核燃料市场2011&2013年报道
**运行能力估计15000每年吨铀

在最初的可能含有硝酸铀酰U3O8或过氧化铀精炼之后,三氧化铀在干燥室和氢气反应生成二氧化铀。然后二氧化铀在另一个炉里和HF反应生成UF4。UF4又和氟气一气通入流化床反应器制取UF6。另外还有一种湿法,利用HF水溶液和UO2制取UF4。

一些二次供应可能以UF6形式供应,比如降低浓度的高度富集铀或者再次富集的尾料。后处理厂的循环铀为了浓缩液必须要转化。

化学转化

在干法过程中,UO2浓缩物先煅烧去除一些杂质,然后凝成块并压碎。

湿法用硝酸溶解UO2浓缩物,产生的硝酸铀酰再经过反萃取过程,用溶在煤油或十二烷中的磷酸三丁酯做萃取剂。有机溶剂吸收了铀,可以用稀硝酸洗涤之后蒸发浓缩。之后溶液在流化床反应器里煅烧产生UO3(如果温度足够还可以产生UO2)。

经过干法纯化的U3O8和经过湿法纯化的UO3之后在反应炉中被还原生成UO2

U3O8 + 2H2 ===> 3UO2 + 2H2O         ∆H=-109 kJ/mole 或

UO3 + H2 ===> UO2 + H2O                 ∆H=-109 kJ/mole

反应得到的UO2接着在另一个反应炉和气态HF反应生成UF4,在湿法中是和HF溶液反应的。

UO2 + 4HF ===> UF4 + 2H2O                   ∆H = -176 kJ/mole

之后UF4通流化床或者火焰塔和气态氟反应生成UF6,UF6被压缩并储存。

UF4 + F2 ===> UF6

每一步都会除去杂质。

需要特别指出,潮湿的UF6是强腐蚀性的。温度较高时,UF6是气态的,适合在浓缩过程中使用。在较低温度和适中压力下,UF6可以液化。液态UF6用特制的厚壁钢气缸储存,一个这样的气缸装满UF6重15多吨。如果温度再降低,气缸中的UF6会变成白色晶体,就以这种形式储存。

转化工厂的选址和安全管理都要服从氟基化工品加工厂规定。

供给转化的二次来源

供给转化的二次来源的UF6来自于商用或政府的存料,浓缩器供料不足和贫铀尾料再循环。铀钚循环有效的促进了这个过程。2013年这些总的产量估计是26,000 tU,随着俄罗斯不再向美国提供高浓铀,这个产量将在2014年下降很多,预计2022年产量只有16000tU。