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核能及其燃料 1 1 核能 2 核能是不可再生能源 核能是可持续发展的能源 3 什么是核能 nuclearenergy 核能 或称原子能 是通过核反应从原子核释放的能量 符合爱因斯坦的质能方程E mc 4 核反应形式 1 核衰变 指原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化过程 2 核裂变 指重核分裂成两个或几个质量相差不大的部分的过程 3 核聚变 指较轻原子核聚合成较重原子核的核反应过程 核裂变 核聚变是两条主要途径 聚变反应放出的核能较裂变反应大很多 5 核反应形式 核衰变 在目前人类发现的两千多种原子核中 绝大多数的原子核是不稳定的 它们在自发的 缓慢的变成新核的过程中放出能量 地球内部巨大的热能就是地球在漫长的演化过程中 由岩石中所含的铀U 钍Th 镭Ra等放射性元素衰变中释放的能量积累而来 放出 粒子的衰变叫做 衰变 放出 粒子的衰变叫做 衰变 地热来源主要是地球内部长寿命放射性元素 主要是铀238 铀235 钍232和钾40等 衰变产生的热能 地热是一种取之不尽 洁净的能源 现在 世界上许多国家已利用地热取暖 育种 发电等 6 核反应形式 核聚变 轻核聚变是指在高温下 几百万度以上 两个质量较小的原子核结合成质量较大的新核并放出大量能量的过程 也称热核反应 由于原子核间有很强的静电排斥力 因此在一般的温度和压力下 很难发生聚变反应 核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行 故称为 热核聚变反应 相比核裂变 核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题 而且其原料可取自海水 来源几乎取之不尽 是理想的能源方式 7 核反应形式 核聚变 氘氚原子核的聚变反应 氢弹是利用氘氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量起杀伤破坏作用 正在研究可控热核聚变反应装置也是应用这一基本原理 它与氢弹的最大不同是 其释放能量是可以被控制的 8 核反应形式 核裂变 重核裂变是指一个重原子核 分裂成两个或多个中等原子量的原子核 引起链式反应 从而释放出巨大重核裂变的链式反应的能量 9 核能的应用 军事上 核能可作为核武器 并用于航空母舰 核潜艇等的动力源 经济上 核能可以替代化石燃料 用于发电 核医学 可以作为放射源应用于医疗 核能由于其放射性 核技术在治疗恶性肿瘤上得到广泛应用 在放射治疗中 快中子治癌也取得了好的效果 核农学 主要研究领域是辐射遗传和育种学 放射生物学 辐照保藏技术 示踪原子应用还可以为城市供热等 10 核能发电 核能发电利用铀燃料进行核分裂连锁所产生的热 将水加热成高温高压 利用产生的水蒸气推动蒸汽轮机并带动发电机 与火力发电极其相似 核能发电的能量来自核反应堆中核燃料进行裂变反应所释放的裂变能 能量转化过程 核能 水和水蒸气的内能 发电机转子的机械能 电能 11 核能发电的特点 优点1 核能发电不会造成空气污染 不会产生加重地球温室效应的二氧化碳 2 燃料储量丰富 核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为490万吨和275万吨 足可以用到聚变能时代 轻核聚变的燃料是氘和锂 地球上海水中有40多万亿吨氘 地球上的锂储量有2000多亿吨 锂可用来制造氚 足够人类在聚变能时代使用 3 核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍 故核能电厂所使用的燃料体积小 运输与储存都很方便 4 核能发电的成本中 燃料费用所占的比例较低发电成本较其他发电方法为稳定 12 核能发电 缺点1 核能电厂会产生高低阶放射性废料 同时核电厂的反应器内有大量的放射性物质 对生态及民众造成伤害 2 核能发电厂热效率较低 故核能电厂的热污染较严重 3 核能电厂投资成本太大 4 兴建核电厂较易引发政治歧见纷争 13 14 各国核电份额 15 16 17 国内外核电现状 18 2 核燃料 19 核燃料可在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料 主要是铀 235 钚 239 铀 233等重元素 自然界天然存在的易于裂变的材料只有 235 它在天然铀中的含量仅有0 711 另外两种同位素 238和 234各占99 238 和0 0058 后两种均不易裂变 另外两种利用反应堆或加速器生产出来的裂变材料 233和Pu 239 用这些裂变材料制成金属 金属合金 氧化物 碳化物等形式作为反应堆的燃料 核燃料 nuclearfuel 20 核燃料 1 裂变核燃料 铀235 铀238和钚239是能发生核裂变的核燃料 又称裂变核燃料 其中铀235存在于自然界 而铀233 钚239则是钍232和铀238吸收中子后分别形成的人工核素 从广义上说 钍232和铀238也是核燃料 已经大量建造的核反应堆使用的是裂变核燃料铀235和钚239 2 聚变核燃料 氘和氚是能发生核聚变的核燃料 又称聚变核燃料 氘存在于自然界 氚是锂6吸收中子后形成的人工核素 核燃料在核反应堆中 燃烧 时产生的能量远大于化石燃料 1千克铀235完全裂变时产生的能量约相当于2500吨煤 21 核燃料的分类 固体燃料 金属型 弥散型燃料 陶瓷型 目前常用核燃料 根据堆型不同形式不同液体燃料 溶液 或悬浮液 液态金属和熔盐其设计特点是 将燃料 冷却剂和慢化剂溶合在一起 在早期反应堆发展初期被研究 未发展为实用动力燃料 22 核燃料分类 23 核燃料 固体核燃料 金属型燃料 金属型 直接使用纯铀金属铀是一种致密的 具有中等硬度的银白色金属 熔点1133 在熔点以下有三种同素异构体优点 密度高 18g cm3 导热率高 相对于UO2 工艺性能好 易于加工成型 导热性好 但使用温度低于450oC 铀的核密度高 导热性能好 缺点是燃料的工作温度低化学活性强 缺点 相变 各向异性 辐照肿胀 性质活泼 化学稳定性差 在常温下也会与水起剧烈反应而产生氢气 在空气中会氢化 粉末状态的铀易着火 在高温下只能与少数冷却剂相容 24 铀合金 为了改善纯铀的特性g相合金 U Zr U Mo U Nb 快冷得到立方g相a相合金 保持a结构并具有细小而混乱的晶粒组织 抗辐照 典型合金有U 1 5 Nb 5 Zr U 2 Zr U 0 3 Cr U 1 5 Mo等 金属间化合物 U3Si是具有一定压缩延性的金属间化合物 其耐蚀性远高于金属铀 在燃料芯块中心予留孔洞就可以适应大多数情况下辐照引起的尺寸变化 用于动力堆的只有铀 锆合金 铀合金与金属铀相比 其优点是能改善辐照稳定性 增加抗高温水腐蚀性能 缺点是合金元素会使中子有害吸收增加 需采用富集铀 用于动力堆的只有铀 锆合金 25 Pu 钚 类核燃料 Pu是最重要的一种可裂变人造同位素燃料 它能在反应堆中制造 如果钚也用做核燃料的话 那么反应堆燃料的储备量将能增加几个数量级 然而 由于钚性能和加工上的一些缺点 尚处于研究发展阶段 纯金属钚的特点 不适合作为核燃料熔点低 仅640 从室温到熔点有六种同素异构体 结构变化复杂 导热系数仅为铀的1 6左右 线膨胀系数大 各向异性十分明显 力学性能属脆性 化学稳定性很差 极易氧化 并易与H2和CO2作用 钚多以氧化物PuO2 氮化物 碳化物状态应用 也可以与UO2混合 U Pu O2 使用 氧化钚的熔点高 化学稳定性好 制备较容易 现多用于快中子堆 钚的碳化物 U Pu C有较高的导热率 是有希望的核燃料 26 弥散型燃料 将燃料颗粒弥散分布在导热性好的基体中弥散型燃料是将UO2或UC等陶瓷核燃料颗粒均匀地和非裂变基体材料 金属 非金属或陶瓷 混合后 经粉末冶金法压制后烧结而成 基体特性要求 中子吸收截面小 抗辐照能力强 导热率高 热膨胀系数低 并与燃料颗粒的热膨胀系数相当 在运行温度范围内无相变 并应有足够的蠕变强度和韧性 对燃料 燃料包壳和冷却剂的相容性好 可作为基体相的材料 PWR常用Zr 2 金属材料铝 锆 钼和不锈钢等 非金属和陶瓷材料如石墨 氧化铝 二氧化锆等 核燃料 固体核燃料 弥散型核燃料 27 弥散型燃料的特点 弥散型核燃料成本较低 物理和机械性能较好 燃耗也较高 并且燃料类型可以多样化 有利于开扩核燃料的应用范围辐照损伤只限于弥散相附近 对基体的影响较小 当燃耗逐渐加深时 燃料元件的肿胀小 因而提高了燃料元件的寿命 以金属相为基体的弥散型燃料有较高的导热率 金属基体有良好韧性 加工性能好 如不锈钢基体的核燃料可轧制成板状高功率密度元件 已用于美国军用装配式动力堆 但是 由于弥散型核燃料中的裂变物质含量低 故需采用高浓度铀原料 28 陶瓷型 氧化物陶瓷 碳化物陶瓷 核燃料 固体核燃料 陶瓷型核燃料 目的 改善燃料性能 克服陶瓷型燃料的导热和延性不足方法 1 将陶瓷燃料 UO2 粉末或金属间化合物粉末等弥散在金属基体内 或 2 用热解碳和碳化硅包覆氧化物或碳化物的涂层颗粒燃料 再将这些颗粒燃料弥散在石墨体内用途 作为高温堆燃料 如高温气冷堆的燃料 29 陶瓷型核燃料主要是二氧化铀 UO2 碳化铀 UC 及氮化铀 UN 其中二氧化铀是应用最广 研究最深入的一种 核燃料 固体核燃料 陶瓷型核燃料 30 UO2燃料的性质 压水堆主要是用二氧化铀瓷型核燃料 优良特性 1 熔点高 2865 2 fcc结构 CaF2结构 在熔点下无晶型转变 各向同性 抗辐照稳定性好 3 与水和包壳材料的相容性好 4 热中子俘获截面极低 0 0002barn 与金属铀相比的不足1 密度较低 10 9g cm32 导热率仅为金属铀的十几分之一 温度梯度大3 质脆且硬 由于大温度梯度造成的热应力而开裂 可见 陶瓷二氧化铀虽有不足之处 但其优良特性仍是主导的一面 目前动力堆广泛用它作为核燃料 O U比状态图 UO2的晶体结构 31 为什么在压水堆内不直接用金属铀而要用陶瓷UO2燃料 1 金属铀的优点是热导率较高 密度大 易于加工 2 但金属铀的缺点非常明显 a 熔点较低 化学性质活泼 易氧化 b 在一定温度下会发生相变 T 662 为 相 662 T 772 为 相 772 T 1133 为 相 当其由 相转变为 相时 其性质变得硬而脆 密度也变小 c 金属铀在高温水中的抗腐蚀和抗辐照性能都较差 3 UO2的熔点高 热稳定性和辐照稳定性良好 有利于加深燃耗 4 UO2有良好的化学稳定性 与包壳和冷却剂材料的相容性也较好 5 UO2的主要缺点是热导率较低 从综合性能看UO2的综合性能要优于金属铀 故UO2是压水型动力堆中应用最广泛的燃料 32 ADU 铀酸胺盐 NH4 U2O7 流程AUC 三碳酸铀酰胺 NH4 4 UO2 CO3 3 流程IDR流程 UO2粉末制备 ADU法工艺流程图 33 1 UO2粉末压制成型将松散的粉末压制成具有一定形状 尺寸 密度和强度的坯块 2 烧结将粉末压制成的坯块通过高温烧成陶瓷影响UO2高温烧结的因素有 粉末性质 颗粒尺寸 形状 多孔性 比表面积 粉末密度 O U等 压制参数 粘接剂 润滑剂添加物及坯块密度烧结气氛 水冷堆用UO2芯块生产中均用高温氢气氛烧结 可有效去除超化学计算量的过剩氧 使O U接近2 00 UO2芯块制备 34 燃料组件制造 35 芯块制造对性能的影响 二氧化铀燃料的制造对其热学 力学 化学性质以及堆内行为和裂变产物行为等有较大的影响 主要有 烧结密度 以理论密度的百分数 T D 来表示孔隙率 包括开口孔率和闭口孔率晶格中过剩的氧原子数量UO2芯块的质量要求 密度95 1 5 理论密度开口孔 1 O U原子比2 000 2 015晶粒度5 25微米总含氢量 2mg gu O U比状态图 36 UO2燃料在反应堆内产生热能 由于氧化物导热性能差 燃料棒内沿径向的温差大 形成大的温度梯度燃料棒中心温度高达2000oC外缘温度只有500 600oC热应力导致燃料表面出现裂纹 随燃耗的加深 将出现芯块变形开裂 导致包壳变形裂变产物的气体析出 使燃料棒内压升高体积肿胀固体裂变产物的析出 腐蚀包壳管 UO2燃料的辐照特性 37 燃料 包壳的变形 燃料芯块变形损坏示意图 燃料包壳的竹节变形示意图 燃料芯块 包壳 38 UO2受辐照后的行为 芯块开裂 UO2能受 T 100 cm 而燃料温度梯度达103 1040 cm 重结晶芯块密实化辐照肿胀裂变产物析出熔点降低U O等元素径向迁移 39 UO2辐照后的组织变化 正常工况下组织变化 发生熔化后的组织变化 40 核废料 泛指在核燃料生产 加工和核反应堆用过的不再需要的并具有放射性的废料 也专指核反应堆用过的乏燃料 经后处理回收钚239等可利用的核材料后 余下的不再需要的并具有放射性的废料 核废料的特征是 放射性 核废料的放射性不能用一般的物理 化学和生物方法消除 只能靠放射性核素自身的衰变而减少 射线危害 核废料放出的射线通过物质时 发生电离和激发作用 对生物体会引起辐射损伤 热能释放 核废料中放射性核素通过衰变放出能量 当放射性核素含