核反应堆工程01

《核反应堆工程01》由会员分享，可在线阅读，更多相关《核反应堆工程01（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、核能开发与应用核能开发与应用深圳大学核技术研究所深圳大学核技术研究所 赵海歌赵海歌 2010-20112010-2011学年第二学期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：26536218，13058097906 邮件： 课件登录地址： 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%，

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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：核燃料与核燃料循环1、链式裂变反应 当中子撞击铀原子核时，一个铀核吸收了一个中子 而分裂成两个轻原子核同时发生质量亏损，因而 放出很大的能量，并产生22个新中子。这就是核 裂变反应。 根源：稳定的原子核吸收中子后，变得不稳定了。 在一定的条件下，由一个中子引起一个铀原子核 裂变开始，新产生的中子会继续引起更多的铀原 子核裂变，这样一代代地传下去，像链条一样环 环相扣，称为链式裂变反应。

7、条件：一定的质量，热中子轰击第二章：核燃料与核燃料循环235U裂变反应式： X1、X2称为裂变碎片（裂变产物,放射性）。 裂变产物：Zn至Dy（30号66号元素） 如： 裂变能量：E=200MeV1g铀完全裂变：2500吨标准煤2.276104kWh第二章：核燃料与核燃料循环2、核燃料：U-235(天然）、U-233、Pu-239第二章：核燃料与核燃料循环3、铀（U） 1789年，德国化学家克拉普罗特发现（化合物）。 1841年，法国化学家佩里戈特分离出元素铀。 铀是92号元素，原子序数为92，原子量为238，化学符号 为U 铀广泛分布在地壳和海水中，地壳中铀的平均含量约为 2g/t，海水中约

8、为0.36-2.3 个/L。 铀矿物：155种，铀矿石几乎都以铀的氧化物存在。 铀的天然丰度：238U：99.284%, 235U:0.711%, 234U:0.0054% 金属铀是一种软的银白色金属，密度：19.214g/cm3,熔点 ：1132.30C第二章：核燃料与核燃料循环4、钚（Pu） 钚是银白色金属，熔点640，沸点 3234。在干燥的空 气中，表面的氧化膜起保护作用，氧化缓慢，但有水气存 在下氧化膜被破坏，容易被氧化。钚溶于盐酸、磷酸，但 不溶于硝酸和浓硫酸。钚的氯化物、硝酸盐、硫酸盐易溶 于水，氧化物、氢氧化物、草酸盐碳酸盐不溶于水。钚有 剧毒，一片阿斯匹林大小的钚，足以毒死2

9、亿人，5克的钚 足以毒死人类。钚的毒性比砒霜大4.86亿倍 。 化学符号 Pu，原子序数 94 ，为锕系元素的成员和人工放 射性元素。半衰期最长的同位素是钚244。1940年美国 G.T.西博格、E.M.麦克米伦、J.W.肯尼迪和A.C.沃尔用 152.4厘米回旋加速器加速的16兆电子伏氘核轰击铀时发 现钚 238。第二年又发现钚的最重要的同位素钚 239。在 自然界中只找到两种钚同位素，一种是从氟碳铈镧矿中找 到的微量钚 244，它具有足够长的半衰期，可能是地球上 原始存在的。另一种是从含铀矿物中找到的钚239，是铀 238吸收自然界里的中子而形成的。其他钚同位素都是通 过人工核反应合成的

10、。第二章：核燃料与核燃料循环 钚的大规模制备是通过反应堆中的核反应 进行的，由铀-238 吸收中子后生成，再用 溶剂萃取和离子交换纯化。钚是易裂变的 放射性元素，能用作核燃料，用于制造核 武器。钚用作快中子增殖反应堆燃料时， 新形成的钚比消耗的钚还要多。 1941年3月28日，沃尔首度用加速器生产了 大约0.5微克的纯钚239，而证实它能够以 热中子来激发裂变，产生比铀235的裂变更 大的能量（它的裂变截面积后来证实比铀 235约多百分之五十）。 第二章：核燃料与核燃料循环5、钍（Th） 周期表位置：90号，原子序数为90，原子量为232 钍的发现：瑞典化学家白则里1828年从矿石 中提炼出来

11、。 密度：11.72 熔点:1750C 主要用途: 核燃料 高温气冷堆可采用钍-铀循 环充分利用钍。第二章：核燃料与核燃料循环6、核燃料循环 核燃料的应用：军用与民用 核燃料循环：目前核能的产生及应用，基本上依 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（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，称为核燃料循环。 核燃料循环构成了核能工业的基础。第二章：核燃料与核燃料循环6、核燃料循环 核燃料的应用：军用与民用 核燃料循环：目前核能的产生及应用，基本上依 靠铀这种核燃料，从铀矿的

12、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（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，称为核燃料循环。 核燃料循环构成了核能工业的基础。第二章：核燃料与核燃料循环6、1铀矿的勘探和开采 铀矿勘探的主要任务是查明铀资源，勘探铀矿床， 探明铀储量。 勘探方法：除了一般探矿的技术之外，主要是利用 铀具有放射性的特点（尤其214Po），以及溢出的 氡气（222Rn）的放射性来进行放射性探测。探测 仪器主要有盖革计数器、闪烁计数器等。 空中探测地面、地层探测露天、坑道开采 6、2铀矿石的加工和精制 将开采出的矿石

13、（堆浸、地浸）通过水法冶金加工 成重铀酸铵、三碳酸铀酰胺等中间产物（6价铀， 黄饼） 进行精制，去除杂质，生产出U3O8、UO2。第二章：核燃料与核燃料循环二 氧 化 铀金 属 铀6、3铀的同位素分离（铀的富集或铀的浓缩） 在富集前，须将铀的氧化物转换成UF6，主要采用 气体扩散法或离心分离法。富集铀再根据不同 的用途进行转换。生产反应堆燃料元件一般转 换成UO2，制造核弹头一般用Ca等还原成金属 。同位素分离的尾料可以储存，也可以还原成 金属制造贫铀装甲和贫铀穿甲弹。 6、4燃料元件的制造 燃料元件是反应堆的基本部件。核裂变释放的热 通过燃料元件导出，并传给载热剂介质。核裂 变产生的放射性裂

14、变产物阻留在元件内。燃料 元件一般由燃料芯块、燃料包壳及其结构件组 成。第二章：核燃料与核燃料循环燃 料 元 件6、5在反应堆中使用核燃料核燃料元件装入反应堆中使用，就是通过链式裂 变反应释放核能。核燃料在反应堆中经过链式裂 变反应后形成一个很复杂的体系，包括很多的产 物：未用完的U-235、U-238、新生成的Pu-239 、以及裂变碎片和活化产物（近40种元素、上百 种初级裂变产物，放射性核素达300余种），238U 连续俘获中子生成的次要锕系元素。 6、6核燃料后处理用于从乏燃料中回收有用的可裂变物质，主要是 铀和钚。还可以同时获得镅等次要锕系元素和其 他有用的放射性同位素加以利用。铀、

15、钚的回收 率大于99%，裂变产物的去污系数（处理前后铀 或钚中裂变产物的含量之比）达107108。第二章：核燃料与核燃料循环乏燃料运输容器6、7放射性废物的处理对于短寿命中、低放废物采用地表处置，对于长 寿命的低、中放废液，经减容后进行水泥固化， 采用深地层埋藏处置。对于高放废液，经减容后 进行玻璃固化（固体硅硼酸盐玻璃块），采用深 地层埋藏处置。 新技术：分离-嬗变法先用化学方法，将高放液中的具有放射性的镅、 锔等与其他裂变产物分离，将剩余部分经减容后 进行玻璃固化，埋藏在深地层中。将镅、锔通过 中子嬗变变成短半衰期或稳定的其他核素。第二章：核燃料与核燃料循环 包括上述7步的核燃料循环叫做闭

16、式(或闭合)燃料 循环。 大多数国家如英、法、中国、联邦德国、日本 、意大利、俄罗斯、阿根廷和印度等皆采用核 燃料循环的方针，对于压水堆电站乏燃料进行 后处理，以大大减少需要最终处置的 放射性核 素，并把铀和钚循环使用。 乏燃料元件暂时或永久不进行后处理，而是将其 储存起来，叫做一次通过式，这是一种不闭合循 环。 美国、加拿大、瑞典等采用一次通过式。第二章：核燃料与核燃料循环 一次通过式有些国家考虑对压水堆电站乏燃料不进行后处理， 而直接包装或经切割后包装，然后送到深地层的最 终处置库永久储藏起来。这样未经后处理也就是没 有封闭的核燃料循环，称做一次通过。加拿大核发 电用的是重水堆,燃料用天然铀，烧过后其中铀235