核反应堆工程01课件

核能开发与应用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，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2—2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。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2.276104kW•h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。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、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（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、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、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107～108。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含量只有0.3％，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，一个1000兆瓦的压水堆电站卸下燃料中所含锕系元素的放射性高达10万居里左右，把这样大量的极长半衰期的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238和钚239埋在地下废弃不用也是不合理的。第二章：核燃料与核燃料循环除了铀-钚循环方式以外，还有快中子增殖堆(简称快堆)铀（钚）的循环方式以及钍-铀循环方式等。

快堆铀（钚）循环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239为燃料,并装载铀-238,在堆中所装铀-238转化成为钚-239的量大于烧掉的钚-239的量，将占天然铀99％以上的铀-238也利用起来，进行铀（钚）循环。铀（钚）循环就是在快堆中将铀-238转化为钚239，并通过后处理把钚分离出来,作为快堆的燃料循环使用。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，就可用快堆自己增殖的钚作为燃料。第二章：核燃料