核能开发及应用03 核燃料与核燃料循环

1、核能开发及应用核能开发及应用第一章第一章核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环o 核能历史的简单回顾公元前公元前5 5世纪：古希腊思想家德谟克利特提出原子论；世纪：古希腊思想家德谟克利特提出原子论；18081808年：英国化学家道尔顿提出了原子学说。认为物质都是由原子直接年：英国化学家道尔顿提出了原子学说。认为物质都是由原子直接构成的；原子是一个实心球体，不可再分割；同一类原子性质相同；构成的；原子是一个实心球体，不可再分割；同一类原子性质相同；不同的原子是以简单的整数比相结合不同的原子是以简单的整数比相结合18971897年，英国科学家汤姆逊做

2、阴极射线管通电发光实验时，发现原年，英国科学家汤姆逊做阴极射线管通电发光实验时，发现原子中存在电子子中存在电子19041904年汤姆生提出了一个被称为年汤姆生提出了一个被称为“西瓜式西瓜式”结构的结构的原子结构模型，电子就像原子结构模型，电子就像“西瓜子西瓜子”一样镶嵌在带正电的一样镶嵌在带正电的“西瓜瓤西瓜瓤”中电子的发现使人们认识到原子是由更小的粒子构成的中电子的发现使人们认识到原子是由更小的粒子构成的18981898年：居里夫人发现了镭。年：居里夫人发现了镭。19111911年：英国科学家卢瑟福做了一个实验：用一束质量比电子大很年：英国科学家卢瑟福做了一个实验：用一束质量比电子大很多的带

3、正电的高速运动的粒子轰击金箔，结果是大多数粒子能多的带正电的高速运动的粒子轰击金箔，结果是大多数粒子能穿过金箔且不改变原来的前进方向，但穿过金箔且不改变原来的前进方向，但 也有一小部分改变了原来的也有一小部分改变了原来的方向，还有极少数的粒子被反弹了回来据此他提出了带核的原方向，还有极少数的粒子被反弹了回来据此他提出了带核的原子结构模型：原子是由原子核和核外电子构成子结构模型：原子是由原子核和核外电子构成19051905年：爱因斯坦提出质能方程式。年：爱因斯坦提出质能方程式。第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环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

4、量是电子的1837倍。1919年 卢瑟福用氦原子核(a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30P，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上述工作奠定了现代核能发现与发展的基础. .o 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235U

5、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聚变能。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。受控热核反应迄今尚未实现工业化应用。o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

6、核燃料循环核燃料与核燃料循环o 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，o 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

7、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。o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。第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环1、链式裂变反应o 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2个新中子。这就是核裂变反应。o 根源：稳定的原子核吸收中子后，变得不稳定了。第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环o235U裂变反应式：o 裂变产物：Zn至Dy（30号66号元素）o 裂变能量：E=200MeV 1kg铀完全裂变：2500吨标准煤 2

8、.276104kWho 条件：一定的质量，热中子轰击第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环2、核燃料：235U(天然)、233U、239Pu第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环3、铀（铀（U U）o 17891789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）。 18411841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。o 铀是铀是9292号元素，原子序数为号元素，原子序数为9292，原子量为，原子量为238238，化学符号，化学符号为为U Uo 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/t2g/t，海水中约为，海水中约为4545亿吨。亿吨。o 铀矿物：铀矿物：155155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。o 铀的天然丰度：铀的天然丰度： 238238U U：99.284%, 99.284%, 235235U:0.711%, U:0.711%, 234234U:0.0054%U:0.0054%o 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/cm19.214g/cm3 3, ,熔点：熔点：1132.31132.30 0C C第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环核燃料与

10、核燃料循环4、钚（钚（PuPu）o 钚是银白色金属，熔点钚是银白色金属，熔点640640，沸点，沸点 32343234。在干燥的空气中，。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、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，足以毒死林大小

11、的钚，足以毒死2 2亿人，亿人，5 5克的钚足以毒死人类。钚的克的钚足以毒死人类。钚的毒性比砒霜大毒性比砒霜大4.864.86亿倍亿倍 。 o 化学符号化学符号 PuPu，原子序数，原子序数 94 94 ，为锕系元素的成员和人工放射，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性元素。半衰期最长的同位素是钚244244。19401940年美国年美国G.T.G.T.西博西博格、格、E.M.E.M.麦克米伦、麦克米伦、J.W.J.W.肯尼迪和肯尼迪和A.C.A.C.沃尔用沃尔用152.4152.4厘米回旋加厘米回旋加速器加速的速器加速的1616兆电子伏氘核轰击铀时发现钚兆电子伏氘核轰击

12、铀时发现钚 238238。第二年又发。第二年又发现钚的最重要的同位素钚现钚的最重要的同位素钚 239239。在自然界中只找到两种钚同。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位素，一种是从氟碳铈镧矿中找到的微量钚 244244，它具有足，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矿物中找到的钚239239，是铀，是铀238238吸收自然界里的中子而形成的。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其他钚同位素都是通过人工核反应合成的 。第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环

13、核燃料与核燃料循环o 钚的大规模制备是通过反应堆中的核反应进钚的大规模制备是通过反应堆中的核反应进行的，由铀行的，由铀-238 -238 吸收中子后生成，再用溶剂吸收中子后生成，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。比消耗的钚还要多。 o 19411941年年3 3月月2828日，沃尔首度用加速器生产了大日，沃尔首度用加速器生产了大约约0.50.5微克的纯钚微克的纯钚239239，

14、而证实它能够以热中子，而证实它能够以热中子来激发裂变，产生比铀来激发裂变，产生比铀235235的裂变更大的能量的裂变更大的能量（它的裂变截面积后来证实比铀（它的裂变截面积后来证实比铀235235约多百分约多百分之五十）。之五十）。 第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环5 5、钍（、钍（ThTh）周期表位置：周期表位置：9090号，原子序数为号，原子序数为9090，原子量，原子量 为为232232钍的发现：瑞典化学家白则里钍的发现：瑞典化学家白则里18281828年从矿石中提年从矿石中提炼出来。炼出来。密度：密度：11.72 11.72 熔点熔点:1750C:1750C 主要用途主

15、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- -铀循环铀循环充分利用钍。充分利用钍。第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环6 6、核燃料循环、核燃料循环o 核燃料的应用：军用与民用核燃料的应用：军用与民用o 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

16、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。o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。第一讲第一讲 核燃料与核燃料循环核燃料与核燃料循环铀矿的勘探和开采：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，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214214PoPo），以及溢出的），以及溢出的氡气（氡气（222222RnRn）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