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1、核能开发与应用核能开发与应用2010-2011学年第二学期学年第二学期1课程介绍课程名称：核能开发与应用主讲：赵海歌电话：26536218，邮件：课件登录地址： 登录密码：zhaohg2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、核反应堆工程三、核反应堆工程 核反应堆类型、核反应堆物理、核反应核反应堆类型、核反应堆物理、核反应 堆结构与材料、核反应堆安全堆结构与材料、核反应堆安全四、核聚变概论3参考书：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4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
2、，课堂表现12分 作业20分5第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环第一章：核能概述第一章：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
3、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。6第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环第一章核燃料与核燃料循环第一章 核能概述核能概述核能历史的简单回顾7第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环第一章核燃料与核燃料循环第一章 核能概述核能概述 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
4、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上述工作奠定了现代核能发现与发展的基础. .8什么是核能?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
5、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；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。一种叫核聚变能，简称聚变能。第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环 第一章：核能概述第一章：核能概述9第二章：核燃料与核燃料循环第二章：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
6、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反应堆用过的核燃料(叫做乏燃料叫做乏燃料)进行后处理以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。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。核燃料循环构成了核能工业的基础。10第
7、二章：核燃料与核燃料循环第二章：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。11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。条件：一定的质量，热中子轰击第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环12235U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：
8、裂变能量：E=200MeV 1g铀完全裂变：2500吨标准煤 2.276104kWh第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环132、核燃料：U-235(天然）、U-233、Pu-239第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环143、铀（铀（U）1789年，德国化学家克拉普罗特发现（化合物）。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。年，法国化学家佩里戈特分离出元素铀。铀是铀是92号元素，原子序数为号元素，原子序数为92，原子量为，原子量为238，化学符号，化学符号为为U铀广泛分布在地壳和海水中，地壳中铀的平均含量约为铀广泛分布
9、在地壳和海水中，地壳中铀的平均含量约为2g/t，海水中约为，海水中约为0.36-2.3 个个/L。铀矿物：铀矿物：155种，铀矿石几乎都以铀的氧化物存在。种，铀矿石几乎都以铀的氧化物存在。铀的天然丰度：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：金属铀是一种软的银白色金属，密度：19.214g/cm3,熔点：熔点：1132.30C第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环154、钚（钚（Pu）钚是银白色金属，熔点钚是银白色金属，熔点640，沸点，沸点 3234。在干燥的空。在干燥的空气中，表面的氧化膜
10、起保护作用，氧化缓慢，但有水气存气中，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，足以毒死剧毒，一片阿斯匹林大小的钚，足以毒死2亿人，亿人，5克的钚克的钚足以毒死人类。钚的毒性比砒霜大足以毒死人类。钚的毒性比砒霜大4.86亿倍亿倍 。 化学符号化学符号 Pu，原子序数，原
11、子序数 94 ，为锕系元素的成员和人工放，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射性元素。半衰期最长的同位素是钚244。1940年美国年美国G.T.西博格、西博格、E.M.麦克米伦、麦克米伦、J.W.肯尼迪和肯尼迪和A.C.沃尔用沃尔用152.4厘米回旋加速器加速的厘米回旋加速器加速的16兆电子伏氘核轰击铀时发兆电子伏氘核轰击铀时发现钚现钚 238。第二年又发现钚的最重要的同位素钚。第二年又发现钚的最重要的同位素钚 239。在。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到的微量钚 244，它具有足够长的半衰
12、期，可能是地球上，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原始存在的。另一种是从含铀矿物中找到的钚239，是铀，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过人工核反应合成的 。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环16钚的大规模制备是通过反应堆中的核反应钚的大规模制备是通过反应堆中的核反应进行的，由铀进行的，由铀-238 吸收中子后生成，再用吸收中子后生成，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，用于制造核放
13、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，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。新形成的钚比消耗的钚还要多。 1941年年3月月28日，沃尔首度用加速器生产了日，沃尔首度用加速器生产了大约大约0.5微克的纯钚微克的纯钚239，而证实它能够以，而证实它能够以热中子来激发裂变，产生比铀热中子来激发裂变，产生比铀235的裂变更的裂变更大的能量（它的裂变截面积后来证实比铀大的能量（它的裂变截面积后来证实比铀235约多百分之五十）。约多百分之五十）。 第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环175、钍（、钍（Th）周期表位置：周期表位置：
14、90号，原子序数为号，原子序数为90，原子量，原子量 为为232钍的发现：瑞典化学家白则里钍的发现：瑞典化学家白则里1828年从矿石年从矿石中提炼出来。中提炼出来。密度：密度：11.72 熔点熔点:1750C 主要用途主要用途: 核燃料核燃料 高温气冷堆可采用钍高温气冷堆可采用钍-铀铀循环充分利用钍。循环充分利用钍。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环186、核燃料循环、核燃料循环核燃料的应用：军用与民用核燃料的应用：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、铀的加靠铀这种核燃料，从铀矿的勘
15、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）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。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。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第二章：核燃料与核燃料循环196、核燃料循环、核燃料循环核燃料的应用：军用与民用核燃料的应用：军用与民用核燃料循环：目前核能的产生及应用，基本上依核燃料循环：
16、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）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。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。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第二章：核燃料与核燃料循环20216、1铀矿的勘探和开采铀矿
17、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，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。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（尤其铀具有放射性的特点（尤其214Po），以及溢出的），以及溢出的氡气（氡气（222Rn）的放射性来进行放射性探测。探测）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。仪器主要有盖革计数器、闪烁计数器等。空中探测空中探测地面、地层探测地面、地层探测露天、坑道开采露天、坑道开采6、2铀矿石的加工和精制铀矿石的加工和精制将开采出的矿石（堆浸、地浸）通
18、过水法冶金加工将开采出的矿石（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（成重铀酸铵、三碳酸铀酰胺等中间产物（6价铀，价铀，黄饼）黄饼）进行精制，去除杂质，生产出进行精制，去除杂质，生产出U3O8、UO2。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环222324二 氧 化 铀25金 属 铀266、3铀的同位素分离（铀的富集或铀的浓缩）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在富集前，须将铀的氧化物转换成UF6，主要采用，主要采用气体扩散法或离心分离法。富集铀再根据不同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
19、一般转的用途进行转换。生产反应堆燃料元件一般转换成换成UO2，制造核弹头一般用，制造核弹头一般用Ca等还原成金属。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。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的制造燃料元件是反应堆的基本部件。核裂变释放的热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变产物阻留在元件内。燃料变产生的放射性裂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元件一般由燃料芯块
20、、燃料包壳及其结构件组成。成。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环27燃 料 元 件286、5在反应堆中使用核燃料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：未用完的物：未用完的U-235、U-238、新生成的、新生成的Pu-239、以及裂变碎片和活化产物（近以及裂变碎片和活化产物（近40种元素、上百种种元素、上百种初级裂变产物，放射性核素达初级裂
21、变产物，放射性核素达300余种），余种），238U连连续俘获中子生成的次要锕系元素。续俘获中子生成的次要锕系元素。 6、6核燃料后处理核燃料后处理 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、钚的回收他有用的放射性同位素加以利用。铀、钚的回收率大于率大于99%，裂变产物的去污系数（处理前后铀，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第二章：核燃料与核燃料
22、循环29乏燃料运输容器306、7放射性废物的处理放射性废物的处理 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，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），采用深进行玻璃固化（固体硅硼酸盐玻璃块），采用深地层埋藏处置。地层埋藏处置。新技术：分离新技术：分离-嬗变法嬗变法 先用化学方法，将高放液中的具有先用化学方法，将高放液中的具有 放射性的镅、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锔
23、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第二章：核燃料与核燃料循环31包括上述包括上述7步的核燃料循环叫做闭式步的核燃料循环叫做闭式(或闭合或闭合)燃料燃料循环。循环。大多数国家如英、法、中国、联邦德国、日本、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料循环的方针，对于压水堆电站乏燃料进行后处理
24、，以大大减少需要最终处置的处理，以大大减少需要最终处置的 放射性核素，放射性核素，并把铀和钚循环使用。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，这是一种不闭合循储存起来，叫做一次通过式，这是一种不闭合循环。环。美国、加拿大、瑞典等采用一次通过式。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第二章：核燃料与核燃料循环32一次通过式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，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而直接包装或经切割后包
25、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，有封闭的核燃料循环，称做一次通过称做一次通过。加拿大核发。加拿大核发电用的是重水堆电用的是重水堆,燃料用天然铀，烧过后其中铀燃料用天然铀，烧过后其中铀235含量只有含量只有 0.3，所以对核燃料循环一直采取一次，所以对核燃料循环一直采取一次通过的方针。有些国家对于压水堆电站的核燃料循通过的方针。有些国家对于压水堆电站的核燃料循环也考虑采取一次通过的方针，这是因为这些国家环也考虑采取一次通过的方针，这是因为这些国家的后处理和高放废液处理的费用十分高。但是，一的后处理和
26、高放废液处理的费用十分高。但是，一个个1000兆瓦的压水堆电站卸下燃料中所含锕系元素兆瓦的压水堆电站卸下燃料中所含锕系元素的的 放射性高达放射性高达10万居里左右，把这样大量的极长万居里左右，把这样大量的极长半衰期的半衰期的 放射性核素长期埋在地下能否保证安全放射性核素长期埋在地下能否保证安全尚未肯定，把大量可以利用的铀尚未肯定，把大量可以利用的铀238和钚和钚239埋在地埋在地下废弃不用也是不合理的。下废弃不用也是不合理的。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环33除了铀除了铀-钚循环方式以外，还有快中子增殖堆钚循环方式以外，还有快中子增殖堆(简简称快堆称快堆)铀（钚）的循环方
27、式以及钍铀（钚）的循环方式以及钍-铀循环方铀循环方式等。式等。 快堆铀（钚）循环快堆铀（钚）循环 从最大限度利用铀资源的从最大限度利用铀资源的角度来看，应发展快中子增殖堆。这种堆以钚角度来看，应发展快中子增殖堆。这种堆以钚239为燃料为燃料,并装载铀并装载铀-238,在堆中所装铀在堆中所装铀-238转转化成为钚化成为钚-239的量大于烧掉的钚的量大于烧掉的钚-239的量，将的量，将占天然铀占天然铀99以上的铀以上的铀-238也利用起来，进行也利用起来，进行铀（钚）循环。铀（钚）循环。铀（钚）循环就是在快堆中将铀铀（钚）循环就是在快堆中将铀- 238转化为钚转化为钚239，并通过后处理把钚分离出
28、来，并通过后处理把钚分离出来,作为快堆的作为快堆的燃料循环使用。燃料循环使用。在发展初期，可用压水堆后处在发展初期，可用压水堆后处理得到的钚作为装料；发展到一定规模后，就理得到的钚作为装料；发展到一定规模后，就可用快堆自己增殖的钚作为燃料。可用快堆自己增殖的钚作为燃料。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环34钍钍- -铀循环铀循环指在热中子堆中把钍-232转化为另外一种核燃料铀-233，通过后处理把铀-233分离出来返回堆中循环使用。适于采用这种核燃料循环的堆型是高温气冷堆，其科研开发工作现已接近商业化阶段。在重水堆甚至轻水堆中，也可采用这种燃料循环方式，科研工作尚处于开始阶段。 作为核不扩散的重要内容，属于核燃料循环的铀同位素分离技术、核燃料后处理技术、氘的重水生产技术，严禁扩散。第二章：核燃料与核燃料循环第二章：核燃料与核燃料循环35
