核反应堆工程

核能开发与应用深圳大学核技术研究所赵海歌2010-2011学年第二学期课程介绍课程名称：核能开发与应用主讲：赵海歌电话：26536218件：zhaohg@课件登录地址：zhaohg1226@126.com登录密码：zhaohg课程主要内容一、核燃料与核燃料循环二、核能的军事应用三、核反应堆工程核反应堆类型、核反应堆物理、核反应堆结构与材料、核反应堆安全四、核聚变概论参考书：核反应堆工程主编阎其昌哈尔滨工程大学出版社核能开发与应用编著马栩泉化学工业出版社课程考试要求考试形式：期末闭卷考试成绩分配：平时40%，期末60%平时成绩考评：点名8分，课堂表现12分作业20分第一讲核燃料与核燃料循环

第一章：核能概述

核能是20世纪出现的一种新能源。自世界上第一座反应堆运行成功至今，不过经历了短短的70年的时间，但核能已经获得了很大的发展。当年费米领导启动的世界第一座反应堆功率仪为0.5W，后来也只达到200W，而据国际原子能机构公布的资料，到2002年11月，全世界核电的总装机容量已达356746Mw，占世界发电总装机容量的17％，加上研究性反应堆、生产反应堆、推动核动力船舰的反应堆所产生的核能，那就更多了。2002年，全世界正在运行的发电反应堆(核电机组)442座，已建成用于推动核能舰船等的浮动核动力堆700多座，研究用反应堆651座，以及许多生产堆。目前，核能已占世界总能源消费量的6％。第一讲核燃料与核燃料循环第一章核能概述

核能历史的简单回顾第一讲核燃料与核燃料循环第一章核能概述

能量，c为光速)。1914年卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元，称为质子其质量力电子的1837倍。1919年卢瑟福用氮原子核(粒子)轰击氮原子核打出质子,首次实现了人工核反应。1932年英国物理学家詹姆斯·查德威克发现了中子。1934年法国核物理学家约里奥—居里夫妇用氦原子核轰击铝靶制得磷-30，首次获得人工放射性同位素。1934年卢瑟福在静电加速器上用氖核轰击固态氖靶，第一次实现了核聚变反应。1938年德国放射化学家奥托·哈思及其助手弗里茨·斯特拉斯曼发现核裂变。1939年初，奥托·哈恩提出了“分裂核”的概念。上述工作奠定了现代核能发现与发展的基础.什么是核能?裂变能:是通过一些重原子核裂变释放出的能量。例如，一个铀-235原子核在中子的作用下裂变生成两个较轻的原子核，在这个过程中释放出的能量就是核能。核聚变能:是由两个轻原子核结合在一起释放出的能量。例如，氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)的原子核结合在一起生成氦(4He)，在这个过程中释放出的能量就是核聚变能。目前工业应用规模的只有核裂变能，核聚变能只用于军用，即制造氢弹.受控核聚变或受控热核反应:通过有控制地缓慢地释放核聚变能达到大规模地和平利用叫做。受控热核反应迄今尚未实现工业化应用。核能分为两种，一种叫核裂变能，简称裂变能；一种叫核聚变能，简称聚变能。第一讲核燃料与核燃料循环第一章：核能概述

第二章：核燃料与核燃料循环概述：核能的产生离不开核燃料。当前，产生核能(核裂变能)离不开铀、钚和钍这三种元素，铀和钍是存在于自然界的天然放射性元素，钚在自然界中并不存在，它是通过核反应生产出来的人工放射性元素。核燃料包括铀、钍和钚。目前，核能的产生及应用，基本上是依靠铀这种核燃料，从铀矿的勘探和开采、铀的加工和精制、铀的转化、铀的同位素分离、核反应堆元件的制造、对反应堆用过的核燃料(叫做乏燃料)进行后处理以及对产生的放射性废物的处理与处置，形成了一个循环系统，叫做核燃料循环。核燃料循环构成了核能工业的基础。第二章：核燃燃料与核燃料料循环1、链式裂变变反应当中子撞击铀铀原子核时，，一个铀核吸吸收了一个中中子而分裂成成两个轻原子子核．同时发发生质量亏损损，因而放出出很大的能量量，并产生2—2个新中中子。这就是是核裂变反应应。根源：稳定的的原子核吸收收中子后，变变得不稳定了了。在一定的条件件下，由一个个中子引起一一个铀原子核核裂变开始，，新产生的中中子会继续引引起更多的铀铀原子核裂变变，这样一代代代地传下去去，像链条一一样环环相扣扣，称为链式式裂变反应。。条件：一定的的质量，热中中子轰击第二章：核燃燃料与核燃料料循环235U裂变反应式式：X1、X2称称为裂变碎片片（裂变产物物,放射性））。裂变产物：Zn至Dy（（30号~66号元素））如：裂变能量：E=200MeV1g铀完全裂裂变：2500吨标准煤煤2.276104kW•h第二章：核燃燃料与核燃料料循环2、核燃料：：U-235(天然）、、U-233、Pu-239第二章：核燃燃料与核燃料料循环3、铀（U）1789年，，德国化学家家克拉普罗特特发现（化合合物）。1841年，，法国化学家家佩里戈特分分离出元素铀铀。铀是92号元元素，原子序序数为92，，原子量为238，化学学符号为U铀广泛分布在在地壳和海水水中，地壳中中铀的平均含含量约为2g/t，海水水中约为0.36-2.3个/L。铀矿物：155种，铀矿矿石几乎都以以铀的氧化物物存在。铀的天然丰度度：238U：99.284%,235U:0.711%,234U:0.0054%金属铀是一种种软的银白色色金属，密度度：19.214g/cm3,熔点：1132.30C第二章：核燃燃料与核燃料料循环4、钚（Pu）钚是银白色金金属，熔点640℃，沸沸点3234℃。在干干燥的空气中中，表面的氧氧化膜起保护护作用，氧化化缓慢，但有有水气存在下下氧化膜被破破坏，容易被被氧化。钚溶溶于盐酸、磷磷酸，但不溶溶于硝酸和浓浓硫酸。钚的的氯化物、硝硝酸盐、硫酸酸盐易溶于水水，氧化物、、氢氧化物、、草酸盐碳酸酸盐不溶于水水。钚有剧毒毒，一片阿斯斯匹林大小的的钚，足以毒毒死2亿人，，5克的钚足足以毒死人类类。钚的毒性性比砒霜大4.86亿倍倍。化学符号Pu，原子序序数94，，为锕系元元素的成员和和人工放射性性元素。半衰衰期最长的同同位素是钚244。1940年美国国G.T.西西博格、E.M.麦克米米伦、J.W.肯尼迪和和A.C.沃沃尔用152.4厘米回回旋加速器加加速的16兆兆电子伏氘核核轰击铀时发发现钚238。第二年年又发现钚的的最重要的同同位素钚239。在自自然界中只找找到两种钚同同位素，一种种是从氟碳铈铈镧矿中找到到的微量钚244，它它具有足够长长的半衰期，，可能是地球球上原始存在在的。另一种种是从含铀矿矿物中找到的的钚239，，是铀238吸收自然界界里的中子而而形成的。其其他钚同位素素都是通过人人工核反应合合成的。第二章：核燃燃料与核燃料料循环钚的大规模制制备是通过反反应堆中的核核反应进行的的，由铀-238吸收收中子后生成成，再用溶剂剂萃取和离子子交换纯化。。钚是易裂变变的放射性元元素，能用作作核燃料，用用于制造核武武器。钚用作作快中子增殖殖反应堆燃料料时，新形成成的钚比消耗耗的钚还要多多。1941年3月28日，，沃尔首度用用加速器生产产了大约0.5微克的纯纯钚239，，而证实它能能够以热中子子来激发裂变变，产生比铀铀235的裂裂变更大的能能量（它的裂裂变截面积后后来证实比铀铀235约多多百分之五十十）。第二章：核燃燃料与核燃料料循环5、钍（Th）周期表位置：：90号，原原子序数为90，原子量量为232钍的发现：瑞瑞典化学家白白则里1828年从矿石石中提炼出来来。密度：11.72熔熔点:1750C主要用途:核核燃料高高温气冷堆堆可采用钍-铀循环充分分利用钍。第二章：核燃燃料与核燃料料循环6、核燃料循循环核燃料的应用用：军用与民民用核燃料循环：：目前核能的的产生及应用用，基本上依依靠铀这种核核燃料，从铀铀矿的勘探和和开采、铀的的加工和精制制、铀的转化化、铀的同位位素分离、核核反应堆元件件的制造、对对反应堆用过过的核燃料（（乏燃料）进进行后处理以以及对产生的的放射性废物物的处理与处处置，形成了了一个循环系系统，称为核核燃料循环。。核燃料循环构构成了核能工工业的基础。。第二章：核燃燃料与核燃料料循环6、核燃料循循环核燃料的应用用：军用与民民用核燃料循环：：目前核能的的产生及应用用，基本上依依靠铀这种核核燃料，从铀铀矿的勘探和和开采、铀的的加工和精制制、铀的转化化、铀的同位位素分离、核核反应堆元件件的制造、对对反应堆用过过的核燃料（（乏燃料）进进行后处理以以及对产生的的放射性废物物的处理与处处置，形成了了一个循环系系统，称为核核燃料循环。。核燃料循环构构成了核能工工业的基础。。第二章：核燃燃料与核燃料料循环6、1铀矿的的勘探和开采采铀矿勘探的主主要任务是查查明铀资源，，勘探铀矿床床，探明铀储储量。勘探方法：除除了一般探矿矿的技术之外外，主要是利利用铀具有放放射性的特点点（尤其214Po），以及及溢出的氡气气（222Rn）的放射射性来进行放放射性探测。。探测仪器主主要有盖革计计数器、闪烁烁计数器等。。空中探测———地面、地层层探测——露露天、坑道开开采6、2铀矿石石的加工和精精制将开采出的矿矿石（堆浸、、地浸）通过过水法冶金加加工成重铀酸酸铵、三碳酸酸铀酰胺等中中间产物（6价铀，黄饼饼）进行精制，去去除杂质，生生产出U3O8、UO2。第二章：核燃燃料与核燃料料循环二氧化化铀金属铀铀6、3铀的同位素分分离（铀的富富集或铀的浓浓缩）在富集前，须须将铀的氧化化物转换成UF6，主要采用气气体扩散法或或离心分离法法。富集铀再再根据不同的的用途进行转转换。生产反反应堆燃料元元件一般转换换成UO2，制造核弹头头一般用Ca等还原成金金属。同位素素分离的尾料料可以储存，，也可以还原原成金属制造造贫铀装甲和和贫铀穿甲弹弹。6、4燃料元元件的制造燃料元件是反反应堆的基本本部件。核裂裂变释放的热热通过燃料元元件导出，并并传给载热剂剂介质。核裂裂变产生的放放射性裂变产产物阻留在元元件内。燃料料元件一般由由燃料芯块、、燃料包壳及及其结构件组组成。第二章：核燃燃料与核燃料料循环燃料元元件件6、5在反应应堆中使用核核燃料核燃料元件装装入反应堆中中使用，就是是通过链式裂裂变反应释放放核能。核燃燃料在反应堆堆中经过链式式裂变反应后后形成一个很很复杂的体系系，包括很多多的产物：未未用完的U-235、U-238、、新生成的Pu-239、以及裂变变碎片和活化化产物（近40种元素、、上百种初级级裂变产物，，放射性核素素达300余余种），238U连续俘获中中子生成的次次要锕系元素素。6、6核燃燃料后后处理理用于从从乏燃燃料中中回收收有用用的可可裂变变物质质，主主要是是铀和和钚。。还可可以同同时获获得镅镅等次次要锕锕系元元素和和其他他有用用的放放射性性同位位素加加以利利用。。铀、、钚的的回收收率大大于99%，裂裂变产产物的的去污污系数数（处处理前前后铀铀或钚钚中裂裂变产产物的的含量量之比比）达达107～108。第二章章：核核燃料料与核核燃料料循环环乏燃料料运输输容器器6、7放射性性废物物的处处理对于短短寿命命中、、低放放废物物采用用地表表处置置，对对于长长寿命命的低低、中中放废废液，，经减减容后后进行行水泥泥固化化，采采用深深地层层埋藏藏处置置。对对于高高放废废液，，经减减容后后进行行玻璃璃固化化（固固体硅硅硼酸酸盐玻玻璃块块），，采用用深地地层埋埋藏处处置。。新技术术：分分离-嬗变变法先用化化学方方法，，将高高放液液中的的具有有放射射性的的镅、、锔等等与其其他裂裂变产产物分分离，，将剩剩余部部分经经减容容后进进行玻玻璃固固化，，埋藏藏在深深地层层中。。将镅镅、锔锔通过过中子子嬗变变变成成短半半衰期期或稳稳定的的其他他核素素。第二章章：核核燃料料与核核燃料料循环环包括上上述7步的的核燃燃料循循环叫叫做闭闭式(或闭闭合)燃料料循环环。大多数数国家家如英英、法法、中中国、、联邦邦德国国、日日本、、意大大利、、俄罗罗斯、、阿根根廷和和印度度等皆皆采用用核燃燃料循循环的的方针针，对对于压压水堆堆电站站乏燃燃料进进行后后处理理，以以大大大减少少需要要最终终处置置的放放射性性核素素，并并把铀铀和钚钚循环环使用用。乏燃料料元件件暂时时或永永久不不进行行后处处理，，而是是将其其储存存起来来，叫叫做一一次通通过式式，这这是一一种不不闭合合循环环。美国、、加拿拿大、、瑞典典等采采用一一次通通过式式。第二章章：核核燃料料与核核燃料料循环环一次通通过式式有些国国家考考虑对对压水水堆电电站乏乏燃料料不进进行后后处理理，而而直接接包装装或经经切割割后包包装，，然后后送到到深地地层的的最终终处置置库永永久储储藏起起来。。这样样未经经后处处理也也就是是没有有封闭闭的核核燃料料循环环，称做一一次通通过。加拿拿大核核发电电用的的是重重水堆堆,燃燃料用用天然然铀，，烧过过后其其中铀铀235含含量只只有0.3％％，所所以对对核燃燃料循循环一一直采采取一一次通通过的的方针针。有有些国国家对对于压压水堆堆电站站的核核燃料料循环环也考考虑采采取一一次通通过的的方针针，这这是因因为这这些国国家的的后处处理和和高放放废液液处理理的费费用十十分高高。但但是，，一个个1000兆瓦瓦的压压水堆堆电站站卸下下燃料料中所所含锕锕系元元素的的放放射射性高高达10万万居里里左右右，把把这样样大量量的极极长半半衰期期的放放射性性核素素长期期埋在在地下下能否否保证证安全全尚未未肯定定，把把大量量可以以利用用的铀铀238和和钚239埋在在地下下废弃弃不用用也是是不合合理的的。第二章章：核核燃料料与核核燃料料循环环除了铀铀-钚钚循环环方式式以外外，还还有快快中子子增殖殖堆(简称称快堆堆)铀铀（钚钚）的的循环环方式式以及及钍-铀循循环方方式等等。快快堆堆铀（（钚））循环环从从最大大限度度利用用铀资资源的的角度度来看看，应应发展展快中中子增增殖堆堆。这这种堆堆以钚钚239为为燃料料,并并装载载铀-238,在堆堆中所所装铀铀-238转化化成为为钚-2