天然铀矿中能够产生裂变反应的U235仅占0.7%,不能做为核燃料使用,必须经过各种加工过程将其浓缩到2%~4%U235的产品供反应堆使用,经反应堆运行后,乏燃料中的未燃耗的U235和新生产的Pu239需经再处理工艺循环将其回收。铀矿开采一水冶一浓缩一反应堆一化学再处理等构成了核燃料工业的完整系统,在整个核燃料循环过程中,大量使用不锈钢和耐蚀合金材料,如果没有相适应的不锈钢材料就不可能有现代化的核燃料工业。
1. 铀的水冶
铀矿经过碱或酸洗→溶剂浸出→溶剂萃取→脱硝工序,最终形成U3O8.在上述工艺过程中的不锈钢材料使用情况见表2-9。由于用碱浸出,腐蚀性较弱,使用普通钢即可,但液一气介面处使用316不锈钢制作挡板,可防止硫化物飞溅而产生点蚀。在使用硝酸浸出时,使用抗晶间腐蚀的18-8型奥氏体不锈钢。当用硫酸浸出时,需使用含钼或钼铜复合的Cr-Ni奥氏体不锈钢,在存在磨蚀的条件应使用沉淀强化的奥氏体不锈钢。
2. 铀的精制
将水冶厂生产的U3O8转换成UF4,再将UF4转换成UF6,在实际生产中存在湿法和干法两种工艺。
干法生产UF4的主要工艺流程如下:
在整个工艺过程中,设备材料将遭到硝酸、硝酸蒸汽、UO2(NO3)2的腐蚀,所使用的材料视工序环节有所不同,见表2-10。
3. 铀的浓缩
气体扩散法分离U235,压缩机的隔离套使用0Cr35Ni65Al。离心分离高速施转筒使用马氏体时效钢。
4. 核燃料再处理
将反应堆用过的乏燃料或将生产堆照辐的核燃料经化学处理分离U和Pu,并将危险的核分裂生成物分离的化学加工过程称核燃料再处理,亦称后处理。
核燃料再处理,当前成熟的工艺是水法,其回收过程由燃料元件脱壳、燃料溶解和燃料的分离和回收三部分组成。最后一部分的材料问题可参见铀的精制部分。在前两部分,其工艺介质具有强烈的腐蚀性,因此核燃料后处理工厂的装置和管线、泵、阀门几乎是由不锈钢和耐蚀合金堆砌而成。因工艺介质条件不同所选用的材料也存在差异,见表2-11。
a. 燃料芯的溶解
通常采用与脱壳相同或相似的溶液进行溶解。在溶解金属铀、氧化铀和铀一铝燃料时,广泛使用硝酸,溶解器材料一般使用0Cr23Ni13Nb、00Cr19Ni10和Car-penter20 合金。
b. 高放废液处理装置
高放废液是核燃料再处理循环中各种废气、高放射性废液的混合介质,其腐蚀性非常强烈,常常含有HNO3、硫酸根、铁离子的成分,处理这种废液应严防设备泄漏,以免污染环境,装置的材料为00Cr18Ni9和00Cr25Ni20Nb,后者耐蚀性最佳,正在运行的后处理厂均以它为反应器(蒸发浓缩)的结构材料。