第八章核燃料循环 ppt课件

1、第八章 核燃料循环杨金玲第八章第八章 核燃料循环核燃料循环v核燃料核燃料v反响堆类型反响堆类型v燃料循环燃料循环v核燃料后处置核燃料后处置第八章第八章 核燃料循环核燃料循环v核燃料核燃料 含有易裂变核素，可以在反响堆内实现自持链式核裂变反响的含有易裂变核素，可以在反响堆内实现自持链式核裂变反响的物质叫做核燃料。它主要由易裂变核素和可转换核素两种成分组成。物质叫做核燃料。它主要由易裂变核素和可转换核素两种成分组成。 v易裂变核素易裂变核素(fissile nuclides)：是指能与慢中子作用而产生裂变的核素。：是指能与慢中子作用而产生裂变的核素。通常又把含有一种或几种易裂变核素并在适当条件下能

2、到达临界的资料称通常又把含有一种或几种易裂变核素并在适当条件下能到达临界的资料称为易裂变资料。主要易裂变核素有为易裂变资料。主要易裂变核素有235U、239Pu和和233U，241Pu也具有也具有良好的裂变性能。良好的裂变性能。v可转换核素：是指俘获中子后能直接或间接地转变为易裂变核素的核素。可转换核素：是指俘获中子后能直接或间接地转变为易裂变核素的核素。通常又把含有一种或几种可转换核素的资料称为可转换资料通常又把含有一种或几种可转换核素的资料称为可转换资料(fertile material)。主要的可转换核素有。主要的可转换核素有238U和和232Th，240Pu和和234U也能起可也能起可

3、转换核素的作用。可转换核素本身虽不易为慢中子所分裂，但因它们能在转换核素的作用。可转换核素本身虽不易为慢中子所分裂，但因它们能在吸收中子后转变为易裂变核素，所以天然铀吸收中子后转变为易裂变核素，所以天然铀(238U占占99.274%)和天然钍和天然钍(232Th)乃是最根底的核燃料。天然铀是目前最主要的核燃料来源，它既乃是最根底的核燃料。天然铀是目前最主要的核燃料来源，它既可直接用作消费堆和重水型动力堆的燃料，也可经过同位素分别获得用途可直接用作消费堆和重水型动力堆的燃料，也可经过同位素分别获得用途更广泛的浓缩铀。更广泛的浓缩铀。第八章第八章 核燃料循环核燃料循环2. 反响堆类型反响堆类型分类

4、的着眼点分类的着眼点名名 称称 和和 特特 点点A用途用途A1 动力堆，用于发电、供热和作为推进动力动力堆，用于发电、供热和作为推进动力A2 生产堆，生产裂变燃料生产堆，生产裂变燃料239Pu和（或）和（或）3HA3 研究试验堆研究试验堆A4 特殊用途堆特殊用途堆B中子能量中子能量B1 热中子堆，其中裂变反应主要由热中子（能量小于热中子堆，其中裂变反应主要由热中子（能量小于0.1eV）引起）引起B2 中能中子堆，其中裂变反应主要由超热中子（能量约为中能中子堆，其中裂变反应主要由超热中子（能量约为1-10keV）引起）引起B3 快中子堆，其中裂变反应主要由快中子（能量超过快中子堆，其中裂变反应主

5、要由快中子（能量超过0.1MeV）引起）引起C核燃料布置核燃料布置(限于限于热中子堆和中能中子热中子堆和中能中子堆堆)C1 均匀堆，其中核燃料和慢化剂均匀混合均匀堆，其中核燃料和慢化剂均匀混合(如铀混合物溶解或悬浮在慢化如铀混合物溶解或悬浮在慢化剂中，形成溶液、悬浮液或浆液；铀与聚乙烯或氢化锆弥散混合物剂中，形成溶液、悬浮液或浆液；铀与聚乙烯或氢化锆弥散混合物)C2 非均匀堆，其中固体或液体核燃料（如熔盐）与慢化剂不相混合非均匀堆，其中固体或液体核燃料（如熔盐）与慢化剂不相混合D核燃料核燃料D1 天然铀（限于热中子堆）天然铀（限于热中子堆）D2 低富集铀，或铀钚混合氧化物低富集铀，或铀钚混合氧

6、化物MOXD3 高富集铀，或钚高富集铀，或钚-239D4 钚钚-239+转换原料铀转换原料铀-238（铀钚循环）（铀钚循环）D5 铀铀-233+转换原料钍转换原料钍-232（钍铀循环）（钍铀循环）E慢化剂慢化剂E1 石墨石墨E2 重水重水E3 轻水或含氢物质（轻水堆包括压水堆和沸水堆）轻水或含氢物质（轻水堆包括压水堆和沸水堆）E4 铍或氧化物铍或氧化物F冷却冷却剂剂F1 气体（空气、气体（空气、CO2、He、水蒸汽等）、水蒸汽等）F2 液体（水、重水、有机溶液）液体（水、重水、有机溶液）F3 液态金属（钠、钠钾合金、铅，铅铋合金等液态金属（钠、钠钾合金、铅，铅铋合金等）G核燃核燃料转料转换性换

7、性能能G1 燃烧堆（无明显的核燃料转换）燃烧堆（无明显的核燃料转换）G2 转换堆（有显著的核燃料转换，但转换比小转换堆（有显著的核燃料转换，但转换比小于于1）G3 增殖堆（核燃料转换比大于增殖堆（核燃料转换比大于1） H新堆新堆型开型开发阶发阶段段H1 实验堆实验堆H2 原型堆原型堆H3 商业示范（验证）堆商业示范（验证）堆I结构型结构型式式I1 重水堆，有压力容器式和压力管式之分重水堆，有压力容器式和压力管式之分I2 钠冷快堆，有池式与回路式之分钠冷快堆，有池式与回路式之分I3 高温气冷堆，有球床式与柱床式之分高温气冷堆，有球床式与柱床式之分I4 轻水型研究试验堆，有游泳池式、水罐式与轻水型

8、研究试验堆，有游泳池式、水罐式与池内罐式之分池内罐式之分J空间空间位置位置（除（除作为作为推进推进动力）动力）J1 陆上固定式陆上固定式J2 陆上可移动式或可拆装式陆上可移动式或可拆装式J3 海上浮动式海上浮动式J4 海底或空间海底或空间从运用的角度看，可把反响堆按用途分为动力堆、消费堆、研讨实验堆和特殊用途从运用的角度看，可把反响堆按用途分为动力堆、消费堆、研讨实验堆和特殊用途堆等四大类。动力堆主要用于核能发电、供热和作为推进动力。目前世界各堆等四大类。动力堆主要用于核能发电、供热和作为推进动力。目前世界各国正在大力建造的各种类型的动力反响堆。消费堆主要用于消费易裂变资料国正在大力建造的各种

9、类型的动力反响堆。消费堆主要用于消费易裂变资料239Pu和和/或产氚或产氚3H。在上世纪。在上世纪50-60年代，美、苏等国为消费军用钚，曾大年代，美、苏等国为消费军用钚，曾大批建造这种类型的反响堆，但到了批建造这种类型的反响堆，但到了70年代末期，军用钚的储量已到达相当规年代末期，军用钚的储量已到达相当规模，因此这些国家也不再开展这类反响堆了。研讨实验堆主要用作强中子源模，因此这些国家也不再开展这类反响堆了。研讨实验堆主要用作强中子源和从事物理、资料及生物等方面的实验研讨任务；也可为反响堆工程设计提和从事物理、资料及生物等方面的实验研讨任务；也可为反响堆工程设计提供数据或兼用于消费放射性核素

10、。供数据或兼用于消费放射性核素。不同用途的反响堆对工艺参数的要求大不一样，如研讨实验堆主要要求有较高的中不同用途的反响堆对工艺参数的要求大不一样，如研讨实验堆主要要求有较高的中子通量；消费堆最重要的是有大的转换比；而动力堆那么要求有较高的热功子通量；消费堆最重要的是有大的转换比；而动力堆那么要求有较高的热功率和燃料辐照深度。由此进而对反响堆的构造和燃料体系提出了不同的要求。率和燃料辐照深度。由此进而对反响堆的构造和燃料体系提出了不同的要求。如对消费堆而言，堆构造和燃料体系的选择应尽能够满足提高转换比的需求，如对消费堆而言，堆构造和燃料体系的选择应尽能够满足提高转换比的需求，因此世界各国普遍采用

11、天然铀石墨反响堆来进展钚的消费；但对于动力堆，因此世界各国普遍采用天然铀石墨反响堆来进展钚的消费；但对于动力堆，为了加深燃耗和增大功率，目前各国采用以低浓铀为燃料的轻水堆包括压为了加深燃耗和增大功率，目前各国采用以低浓铀为燃料的轻水堆包括压水堆和沸水堆。水堆和沸水堆。按燃料布置型式分类的反响堆按燃料布置型式分类的反响堆从核燃料后处置的角度看，按堆芯燃料布置型式，把反响堆划分为均匀和从核燃料后处置的角度看，按堆芯燃料布置型式，把反响堆划分为均匀和非均匀两大类更有实践意义。对此两种类型反响堆的辐照资料有完全不非均匀两大类更有实践意义。对此两种类型反响堆的辐照资料有完全不同的后处置方式。对均匀堆而言

12、，多为流体性燃料，普通可采用延续后同的后处置方式。对均匀堆而言，多为流体性燃料，普通可采用延续后处置方式，进而大大简化了处置流程。而对非均匀堆，燃料通常以固体处置方式，进而大大简化了处置流程。而对非均匀堆，燃料通常以固体燃料元件方式装卸，只能是分批进展后处置。由于多方面的缘由，目前燃料元件方式装卸，只能是分批进展后处置。由于多方面的缘由，目前广泛运用和建造的反响堆多数仍属非均匀堆，均匀堆还只是处于实验阶广泛运用和建造的反响堆多数仍属非均匀堆，均匀堆还只是处于实验阶段。段。第五章 核素图和同位素手册v核燃料循环核燃料循环核燃料进入反响堆前的制备和在反响堆中熄灭及以后的处置的整核燃料进入反响堆前的

13、制备和在反响堆中熄灭及以后的处置的整个过程称为核燃料循环。这个过程包括：铀钍资源开发、矿个过程称为核燃料循环。这个过程包括：铀钍资源开发、矿石加工冶炼、铀同位素分别和燃料加工制造，燃料在反响堆中运石加工冶炼、铀同位素分别和燃料加工制造，燃料在反响堆中运用，乏燃料后处置和核废物处置、处置等三大部分。也有一些国用，乏燃料后处置和核废物处置、处置等三大部分。也有一些国家思索对乏燃料不进展后处置，或暂不思索后处置。因此，前者家思索对乏燃料不进展后处置，或暂不思索后处置。因此，前者为闭式核燃料循环图为闭式核燃料循环图1-1，后者为开式核燃料循环或一次经过，后者为开式核燃料循环或一次经过式核燃料循环图式核

14、燃料循环图1-2。第八章第八章 核燃料循环核燃料循环反响堆反响堆后处置后处置元件制造元件制造中间储存中间储存燃料获取燃料获取铀矿开采铀矿开采废 物 处 置 处废 物 处 置 处置置乏燃料乏燃料乏燃料乏燃料堆后铀、钚堆后铀、钚新元件新元件钚产品钚产品图图1-1. 闭式核燃料循环表示图闭式核燃料循环表示图新元件新元件反响堆反响堆元件制造元件制造中间储存中间储存燃料获取燃料获取铀矿开采铀矿开采乏燃料乏燃料切割、包装切割、包装最终处置库最终处置库图图1-2. 开式或一次经过式燃料循环表示图开式或一次经过式燃料循环表示图第八章第八章 核燃料循环核燃料循环 由于装在堆内的易裂变燃料必需经常坚持或大于临界质

15、量，否那由于装在堆内的易裂变燃料必需经常坚持或大于临界质量，否那么不能够维持链式反响。为了要在一定运转周期内发出额定功率，堆内需么不能够维持链式反响。为了要在一定运转周期内发出额定功率，堆内需留有超越临界质量的易裂变燃料，使反响堆活性区具有后备反响性。当燃留有超越临界质量的易裂变燃料，使反响堆活性区具有后备反响性。当燃料到达一定的燃耗料到达一定的燃耗(burn up)深度，由于燃料的耗费，以及运转期间产生并深度，由于燃料的耗费，以及运转期间产生并积累的裂变产物的毒化效应，使后备反响性接近消逝时，虽然燃料元组积累的裂变产物的毒化效应，使后备反响性接近消逝时，虽然燃料元组件中尚含有相当数量的易裂变

16、燃料，也得把它从堆内卸出，换入新燃料。件中尚含有相当数量的易裂变燃料，也得把它从堆内卸出，换入新燃料。卸出的燃料元组件称为乏燃料卸出的燃料元组件称为乏燃料(spent fuel)，其中含有大量的易裂变核，其中含有大量的易裂变核素和可转换核素，包括原先装入未燃耗的和运转周期中在堆内转换生成的，素和可转换核素，包括原先装入未燃耗的和运转周期中在堆内转换生成的，均属价值贵重的能量资源。因此，需求经过后处置，将裂变产物分别出去，均属价值贵重的能量资源。因此，需求经过后处置，将裂变产物分别出去，并回收这些易裂变核素和可转换核素，重新制成可用的燃料元组件前并回收这些易裂变核素和可转换核素，重新制成可用的燃

17、料元组件前往反响堆复用，以构成核燃料循环。而一次经过式核燃料循环，它仅利用往反响堆复用，以构成核燃料循环。而一次经过式核燃料循环，它仅利用0.5%的铀资源，把乏燃料中尚存的的铀资源，把乏燃料中尚存的235U、239Pu和和238U等统统废弃不用，等统统废弃不用，付诸永久埋存，这种不经后处置的循环实不成其为循环。付诸永久埋存，这种不经后处置的循环实不成其为循环。 第八章第八章 核燃料循环核燃料循环核燃料循环按核燃料性质可分为铀系燃料的铀核燃料循环按核燃料性质可分为铀系燃料的铀-钚循环方式和钍系燃料的钍钚循环方式和钍系燃料的钍-铀铀循环方式。循环方式。铀铀-钚循环方式：包括热中子堆铀钚循环方式：包

18、括热中子堆铀-钚循环和快中子增殖堆铀钚循环和快中子增殖堆铀-钚循钚循热中子堆铀热中子堆铀-钚循环钚循环 以以235U作为易裂变燃料、以作为易裂变燃料、以238U作为转换原料、生成作为转换原料、生成239Pu的燃料循环，称为铀的燃料循环，称为铀-钚循环。而轻水堆热中子堆铀钚循环。而轻水堆热中子堆铀-钚循环通常以钚循环通常以低富集铀为燃料、以低富集铀为燃料、以238U作为转换原料、生成作为转换原料、生成239Pu的燃料循环。的燃料循环。 快中子增殖堆铀快中子增殖堆铀-钚循环钚循环 快堆以快堆以239Pu为燃料，并装载占天然铀为燃料，并装载占天然铀99%以上的以上的238U，在堆中，在堆中238U转

19、化成为转化成为239Pu的量大于烧掉的的量大于烧掉的239Pu的量，并经过后处的量，并经过后处置把钚分别出来，作为快堆燃料的循环运用。因此，从最大限制利用铀资源的置把钚分别出来，作为快堆燃料的循环运用。因此，从最大限制利用铀资源的角度来看，应充分利用快堆铀角度来看，应充分利用快堆铀-钚循环方式的优势。钚循环方式的优势。第八章第八章 核燃料循环核燃料循环钍钍-铀循环方式：铀循环方式：以以235U或或233U作为易裂变燃料、以作为易裂变燃料、以232Th作为转换原作为转换原料、生成料、生成233U的燃料循环，称为钍的燃料循环，称为钍-铀循环。在热中子堆中铀循环。在热中子堆中把把232Th转化为另外

20、一种核燃料转化为另外一种核燃料233U，经过后处置把，经过后处置把233U分别出来前往堆中循环运用。从我国钍资源较为丰富的角度分别出来前往堆中循环运用。从我国钍资源较为丰富的角度来看，也应充分利用热中子堆钍来看，也应充分利用热中子堆钍-铀循环方式的优势。铀循环方式的优势。第八章第八章 核燃料循环核燃料循环0.85%反响堆反响堆元件制造元件制造化工转化化工转化铀的浓缩铀的浓缩中间储存中间储存铀的转化铀的转化铀矿开采铀矿开采铀的转化铀的转化前处置前处置后处置后处置暂时储存暂时储存处置处置处置处置长期储存库长期储存库钚产品钚产品最终处置库最终处置库乏燃料乏燃料 乏燃料乏燃料堆后铀堆后铀UO2UF60

21、.72% 235U 天然铀天然铀 0.72% 235U UF6 3% 铀元件铀元件放放 射射 性性 废废 物物UF6图图1-3 轻水堆电站、铀轻水堆电站、铀-钚燃料循环表示图钚燃料循环表示图前前 段段后后 段段第八章第八章 核燃料循环核燃料循环v4. 核燃料后处置核燃料后处置乏燃料是指在核反响堆中，辐照到达方案卸料的比燃耗后从堆中乏燃料是指在核反响堆中，辐照到达方案卸料的比燃耗后从堆中卸出，且不再在该堆中运用的核燃料。卸出，且不再在该堆中运用的核燃料。对反响堆中用过的核燃料所进展的化学处置，以除去裂变产物等对反响堆中用过的核燃料所进展的化学处置，以除去裂变产物等杂质并回收易裂变核素和可转换核素

22、以及一些其他可利用物质的杂质并回收易裂变核素和可转换核素以及一些其他可利用物质的过程，称为核燃料后处置过程，称为核燃料后处置nuclear fuel reprocessing。第五章 核素图和同位素手册第五章 核素图和同位素手册0501001502002503000800016000700001400003003504004505005506006507000600012000700800900100011001200130014001500020004000177.6 185Ta226.8 184Ta238.6 179mW30.7 179W58.0 W-K 1 & 59.3 W-K 265.9185mW & 67.2W-K 269.1 W-K 172.0187W & 73.2183Hf94.6185mW111.2184Ta107.9185mW122.1185mW &