核能及其材料.ppt

1、核能及其燃料，23336949，2，1。核能，核能是不可再生能源。核能是可持续发展的能源。23336949，3，核能是什么？核(或核能)是通过核反应发出的能量，符合爱因斯坦的质量方程式E=mc。23336949，4，核反应形式，23336949，5，1)核衰变：指原子核释放某些粒子，变成新原子核的过程。(2)裂变：地核分裂为质量几乎没有差别的两个或多个部分的过程。(3)核聚变：是指将较轻的核聚合到较重的核中的核反应过程。核裂变、核聚变是两种主要方法。核聚变反应释放的核能比裂变反应大得多。核反应形式核衰变，目前人类发现的2000多种核中，大多数不稳定，自发和缓慢的核转变为新核的过程中释放能量。地

2、球内部巨大的热是在漫长的进化过程中，地球从岩石中包含的放射性元素(如铀u、钍、镭)的衰变中释放出的能量的积累。释放粒子的衰变叫衰变。释放粒子的衰变叫衰变。地热来源主要是由于地球内寿命较长的放射性元素(主要是铀238、铀235、钍232、钾40等)衰变而产生的热能。地热是无限清洁的能源。目前世界上很多国家都在利用地热供暖、育种、发电等。23336940，6，核反应型核聚变，轻核聚变在高温下(超过百万度)将两个质量小的原子核结合起来，使质量大的原子核，释放大量能量的过程，也称为热核反应。核之间有很强的静电排斥力，所以在一般的温度和压力下很难发生核聚变反应。核聚变反应必须在很高的压力和温度下进行，因

3、此被称为热核聚变反应。与核裂变相比，核聚变几乎不产生放射性污染等环境问题，其原料可以从海水中提取，是一种基本上不枯竭的理想能源方法。利用氘三氘核进行核聚变的核聚变反应23336949，7核弹是利用氘三氘核进行核聚变反应的瞬间释放出巨大能量，起到杀伤破坏作用，研究可控制的热核聚变反应装置也是这个基本原理与氢弹最不同的地方在于发射能量调节。23336949，8，核反应形式的核裂变，中核分裂，将中核分裂成一个或多个中原子量的核，引起连锁反应，释放引起巨大中核分裂连锁反应的能量。23336949，9，核能应用，军事、核能可以用作核武器，用于航空母舰、核动力潜艇等动力源。在经济上，原子能可代替化石燃料用

4、于发电。核医学：作为辐射源可应用于医疗，核能因其辐射而广泛应用于恶性肿瘤治疗，在放射治疗中也有用快中子治疗癌症的效果。核农学：主要研究领域包括辐射遗传学和育种学、辐射生物学、辐射保存技术、追踪原子应用程序等。23336940，10，核能发电，核能发电利用铀燃料，利用裂变链产生的热量，将水加热到高温高压，利用产生的水蒸气驱动汽轮机，驱动发电机。与火力发电很相似。核能发电的能量来自核反应堆中核燃料通过裂变反应释放的裂变能量。能量转换过程：核能和水蒸气中的内能源发电机转子的机械能，23336949，11，核能发电的特点，优点1核电发电不会造成空气污染，不会产生加剧地球温室效应的二氧化碳。2燃料储量丰

5、富。核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为490万吨，275万吨，可以利用核聚变能源时代。轻核聚变的燃料是氘和锂，地球上海有40多亿吨氘，地球上的锂有2000多亿吨储量，锂可用于制造氚，足以在核聚变能源时代使用。3核燃料的能量密度比化石燃料高数百万倍，因此核电站使用的燃料体积小，便于运输和储存。4核能发电成本中燃料费所占比例低的发电成本比其他发电方法稳定。23336949，12，核能发电，缺点1核电站产生上层和下层放射性废物，而核电站的核反应堆拥有大量对生态系统和人民造成危害的放射性物质。2核电站的热效率低，核电站的热污染严重。3核电站投资成本太大。4核电站建设容易引起政治分歧。23336949

6、，13，233369049，14，各国核能份额，233369049，15，233369049，16，23369049，17，国内外核燃料，核燃料是在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的物质。主要是铀-235、钚-239、铀-233等重元素。自然中存在的易裂变物质只有-235，天然铀的含量为0.711，另外两个同位素-238和-234分别占99.238和0.0058，后者不容易裂变。还有使用核反应堆或加速器制造的裂变材料233和Pu-239。使用这些裂变材料，金属、金属合金、氧化物、碳化物等形式成为反应堆的燃料。核燃料(nuclear fuel)，23336949，20，核燃料，1)裂变核

7、燃料：铀235，铀238，钚239是可能发生核裂变的核燃料，也称为裂变核燃料。其中铀235存在于自然中，铀233、钚239是钍232和铀238吸收中子后形成的人工核素。钍232和铀238也是广义上的核燃料。已经建造了很多的核反应堆使用裂变核燃料铀235和钚239。(2)核聚变核燃料：氘和氚是可能发生核聚变的核燃料，也称为核聚变核燃料。氘存在于自然中，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”时产生的能量比化石燃料大得多，1公斤铀235完全分裂时产生的能量大约相当于2500吨煤。23336940，21，核燃料分类，固体燃料金属、分散燃料、陶瓷，目前一般使用的核燃料取决于核反应堆

8、，其他形式的液体燃料溶液(或悬浮液)、液体金属和熔盐的设计特点是，燃料、冷却剂和减速剂一起使用，在早期反应堆开发初期研究，不是作为实用动力燃料开发的。23336949，22，核燃料分类，233369049，23，核燃料固体核燃料固体核燃料金属基燃料，金属型铀的直接使用具有密度大、中等硬度的银白色金属，熔点1133，熔点以下有3种同塑性异构体的优点。高密度(18g/cm3)，热传导率高(与UO2相比)，工艺性能好，可加工性好，导热性好，但使用温度低于450oC，铀的核密度高，热性能好。缺点是燃料工作温度低的化学活性，缺点：相变、各向异性、辐照膨胀、活泼特性、低化学稳定性、室温下也能与水发生剧烈反

9、应，从而产生氢，空气中氢，容易点燃粉末状态的铀。在高温下，只与少数冷却剂兼容。23336940，24，g相合金：U-Zr，U-Mo，U-Nb，快速冷却立方体g相a相合金：保持a结构，小而混乱的粒子组织，防辐射，典型合金为U-1.1金属间化合物：U3Si是具有特定压缩延展性的金属间化合物，其耐蚀性比金属铀高得多，并且在燃料芯的中心留了一个孔，在大多数情况下，它可以适应调查后的大小变化。反应堆用铀锆合金。铀合金与金属铀相比具有改善辐照稳定性，提高温水耐蚀性的优点。缺点是合金元素必须增加中子的有害吸收，使用浓缩铀。反应堆用铀锆合金。23336949，25，pu(钚)核燃料，Pu是反应堆能制造的最重要

10、的可裂变人工同位素燃料。如果钚也用作核燃料，反应堆燃料储量可能会进一步增加几个阶段。但是由于钚性能和加工上的一些缺点，还处于科研开发阶段。纯金属钚的特点是核燃料熔点，不适合640。从室温到熔点有6种同塑性异构体，结构变化复杂。导热系数大约只有铀的六分之一。大线膨胀系数，各向异性非常明显。机械性质是脆性。化学稳定性很低，容易氧化，容易与H2和CO2作用。钚主要用作氧化物PuO2、氮化物、碳化物状态，可与uO2混合(U，Pu)O2，氧化钚熔点高，化学稳定性好，易于制造，目前常用于快中子反应堆。钚的碳化物(U，Pu)C是导热系数高、有希望的核燃料。23336949，26，分散燃料在导热性能好的基板上

11、分散燃料颗粒的分散燃料，将UO2或UC等陶瓷核燃料粒子均匀地与郑智薰裂变基质材料(金属、非金属或陶瓷)混合，然后用粉末冶金法压制烧结。矩阵特性要求：中子吸收截面，抗辐照能力强；热传导率高，热膨胀系数低，类似于燃料粒子的热膨胀系数。在工作温度范围内，必须具有足够的蠕变强度和韧性。燃料、油箱和冷却剂的兼容性很好。衬底上材料： (PWR通常为Zr2)金属材料铝、锆、钼和不锈钢；非金属和陶瓷材料，如石墨、氧化铝、氧化锆等。23336949，27，核燃料固体核燃料分散核燃料，分散核燃料特性，分散核燃料成本低，物理和机械特性好，燃料消耗量高，燃料类型多样化，对扩展核燃料使用有利的应用调查损伤仅限于分散相附

12、近，对基板的影响小，燃料消耗越来越深，燃料元件的膨胀以金属相为基体的分散燃料导热系数高。金属基体韧性好，可加工性好，例如不锈钢基板的核燃料可轧制为板式高功率元件，用于美国军用容器组装动力堆。但是在分布式核燃料中，裂变物质含量少，需要高浓度铀原料。23336949，28，陶瓷氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、核燃料固体核燃料陶瓷核燃料、目的：改善燃料性能，克服陶瓷燃料的热导率和延展性的方法：(1)陶瓷燃料(UO2)粉末或金属间化合物粉末分布在金属基体上，或(2)氧化物或也就是说，陶瓷核燃料(如高温气冷反应堆的燃料)主要是二氧化铀(UO2)、碳化铀(UC)和氮化铀(UN)。其中，二氧化铀是应用最广、研究最深的一种。23336940，30，核燃料固体核燃料陶瓷核燃料，UO2燃料的特性，PWR主要使用二氧化铀陶瓷核燃料的优良特性：1。熔点高的： 2865 2。FCC结构(CaF2结构)、熔点下无非晶转换、各向同性、防辐射稳定性好。3.与水和外壳材料的兼容性很好。热中子捕获截面极低(0.0002 barn)；与金属铀相比不足的1。密度低，10.9g/cm3 2。热导率只有金属铀的十多分之一，温度梯度很大。