核能及其材料課件

1、核能及其燃料11:491.核能11:49核能是不可再生能源。核能是可持續(xù)發(fā)展的能源。11:49什么是核能（ nuclear energy）核能（或稱原子能）是通過核反應(yīng)從原子核釋放的能量，符合愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc 。11:49核反應(yīng)形式1）核衰變：指原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓^程。2）核裂變：指重核分裂成兩個或幾個質(zhì)量相差不大的部分的過程。3）核聚變：指較輕原子核聚合成較重原子核的核反應(yīng)過程。 核裂變、核聚變是兩條主要途徑。聚變反應(yīng)放出的核能較裂變反應(yīng)大很多。11:49核反應(yīng)形式核衰變在目前人類發(fā)現(xiàn)的兩千多種原子核中，絕大多數(shù)的原子核是不穩(wěn)定的，它們在自發(fā)的、緩慢的變成新核

2、的過程中放出能量。地球內(nèi)部巨大的熱能就是地球在漫長的演化過程中，由巖石中所含的鈾U、釷Th、鐳Ra等放射性元素衰變中釋放的能量積累而來。放出粒子的衰變叫做衰變；放出粒子的衰變叫做衰變。地?zé)醽碓粗饕堑厍騼?nèi)部長壽命放射性元素（主要是鈾238 、鈾235 、釷232 和鉀40等）衰變產(chǎn)生的熱能。地?zé)崾且环N取之不盡、潔凈的能源?，F(xiàn)在，世界上許多國家已利用地?zé)崛∨?、育種、發(fā)電等。 11:49核反應(yīng)形式核聚變輕核聚變是指在高溫下(幾百萬度以上)兩個質(zhì)量較小的原子核結(jié)合成質(zhì)量較大的新核并放出大量能量的過程，也稱熱核反應(yīng)。由于原子核間有很強的靜電排斥力，因此在一般的溫度和壓力下，很難發(fā)生聚變反應(yīng)。核聚變反應(yīng)

3、必須在極高的壓力和溫度下進行，故稱為熱核聚變反應(yīng)。相比核裂變，核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環(huán)境問題，而且其原料可取自海水，來源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。 11:49核反應(yīng)形式核聚變氘氚原子核的聚變反應(yīng) 氫彈是利用氘氚原子核的聚變反應(yīng)瞬間釋放巨大能量起殺傷破壞作用，正在研究可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)裝置也是應(yīng)用這一基本原理，它與氫彈的最大不同是，其釋放能量是可以被控制的。11:49核反應(yīng)形式核裂變重核裂變是指一個重原子核，分裂成兩個或多個中等原子量的原子核，引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而釋放出巨大 重核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的能量。11:49核能的應(yīng)用軍事上，核能可作為核武器，并用于航空母艦、核潛艇等的動力源。經(jīng)濟上

4、，核能可以替代化石燃料，用于發(fā)電。核醫(yī)學(xué)：可以作為放射源應(yīng)用于醫(yī)療，核能由于其放射性， 核技術(shù)在治療惡性腫瘤上得到廣泛應(yīng)用，在放射治療中，快中子治癌也取得了好的效果。核農(nóng)學(xué)：主要研究領(lǐng)域是輻射遺傳和育種學(xué)、放射生物學(xué)、輻照保藏技術(shù)、示蹤原子應(yīng)用還可以為城市供熱等。11:49核能發(fā)電核能發(fā)電利用鈾燃料進行核分裂連鎖所產(chǎn)生的熱，將水加熱成高溫高壓，利用產(chǎn)生的水蒸氣推動蒸汽輪機并帶動發(fā)電機。與火力發(fā)電極其相似。核能發(fā)電的能量來自核反應(yīng)堆中核燃料進行裂變反應(yīng)所釋放的裂變能。 能量轉(zhuǎn)化過程： 核能水和水蒸氣的內(nèi)能發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械能電能11:49核能發(fā)電的特點 優(yōu)點1核能發(fā)電不會造成空氣污染，不會產(chǎn)生加重

5、地球溫室效應(yīng)的二氧化碳。 2 燃料儲量豐富。核裂變的主要燃料鈾和釷的儲量分別約為490萬噸和275萬噸，足可以用到聚變能時代。輕核聚變的燃料是氘和鋰，地球上海水中有40多萬億噸氘，地球上的鋰儲量有2000多億噸，鋰可用來制造氚，足夠人類在聚變能時代使用。3 核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍，故核能電廠所使用的燃料體積小，運輸與儲存都很方便。4核能發(fā)電的成本中，燃料費用所占的比例較低發(fā)電成本較其他發(fā)電方法為穩(wěn)定。11:49核能發(fā)電 缺點1核能電廠會產(chǎn)生高低階放射性廢料，同時核電廠的反應(yīng)器內(nèi)有大量的放射性物質(zhì)，對生態(tài)及民眾造成傷害。2核能發(fā)電廠熱效率較低，故核能電廠的熱污染較嚴(yán)重。 3核能電

6、廠投資成本太大。 4興建核電廠較易引發(fā)政治歧見紛爭。 11:4911:49各國核電份額11:4911:4911:49國內(nèi)外核電現(xiàn)狀11:492.核燃料11:49核燃料可在核反應(yīng)堆中通過核裂變或核聚變產(chǎn)生實用核能的材料。主要是鈾-235、钚-239、鈾-233等重元素。自然界天然存在的易于裂變的材料只有-235，它在天然鈾中的含量僅有0.711，另外兩種同位素-238和-234各占99.238和0.0058，后兩種均不易裂變。另外兩種利用反應(yīng)堆或加速器生產(chǎn)出來的裂變材料-233和Pu-239。用這些裂變材料制成金屬、金屬合金、氧化物、碳化物等形式作為反應(yīng)堆的燃料。核燃料（nuclear fuel

7、）11:49核燃料1) 裂變核燃料:鈾235、鈾238和钚239是能發(fā)生核裂變的核燃料，又稱裂變核燃料。其中鈾235存在于自然界，而鈾233、钚239則是釷232和鈾238吸收中子后分別形成的人工核素。從廣義上說，釷232和鈾238也是核燃料。已經(jīng)大量建造的核反應(yīng)堆使用的是裂變核燃料鈾235和钚239。2）聚變核燃料:氘和氚是能發(fā)生核聚變的核燃料，又稱聚變核燃料。氘存在于自然界，氚是鋰6吸收中子后形成的人工核素。核燃料在核反應(yīng)堆中“燃燒”時產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)大于化石燃料，1千克鈾235完全裂變時產(chǎn)生的能量約相當(dāng)于2500噸煤。11:49核燃料的分類固體燃料金屬型、彌散型燃料、陶瓷型、 目前常用核燃料

8、，根據(jù)堆型不同形式不同液體燃料溶液(或懸浮液)、液態(tài)金屬和熔鹽 其設(shè)計特點是：將燃料、冷卻劑和慢化劑溶合在一起，在早期反應(yīng)堆發(fā)展初期被研究，未發(fā)展為實用動力燃料。11:49核燃料分類11:49核燃料固體核燃料金屬型燃料金屬型 直接使用純鈾金屬鈾是一種致密的、具有中等硬度的銀白色金屬，熔點1133，在熔點以下有三種同素異構(gòu)體 優(yōu)點：密度高（18g/cm3），導(dǎo)熱率高（相對于UO2），工藝性能好，易于加工成型，導(dǎo)熱性好，但使用溫度低于450oC，鈾的核密度高，導(dǎo)熱性能好。缺點是燃料的工作溫度低化學(xué)活性強，缺點：相變、各向異性、輻照腫脹、性質(zhì)活潑、化學(xué)穩(wěn)定性差，在常溫下也會與水起劇烈反應(yīng)而產(chǎn)生氫氣，

9、 在空氣中會氫化，粉末狀態(tài)的鈾易著火。在高溫下只能與少數(shù)冷卻 劑相容。11:49鈾合金 為了改善純鈾的特性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 結(jié)構(gòu)并具有細(xì)小而混亂的晶粒組織，抗輻照，典型合金有 U-1.5%Nb-5%Zr、U-2%Zr、U-0.3%Cr、U-1.5%Mo等。金屬間化合物：U3Si是具有一定壓縮延性的金屬間化合物，其耐蝕性遠(yuǎn)高于金屬鈾，在燃料芯塊中心予留孔洞就可以適應(yīng)大多數(shù)情況下輻照引起的尺寸變化。用于動力堆的只有鈾-鋯合金。鈾合金與金屬鈾相比，其優(yōu)點是能改善輻照穩(wěn)定性、增加抗高 溫水腐蝕性能。缺點是合金元素會使中子有害吸收增加，需采用

10、富集鈾。用于動力堆的只有鈾-鋯合金。11:49Pu (钚)類核燃料Pu是最重要的一種可裂變?nèi)嗽焱凰厝剂?，它能在反?yīng)堆中制造。如果钚也用做核燃料的話，那么反應(yīng)堆燃料的儲備量將能增加幾個數(shù)量級。然而，由于钚性能和加工上的一些缺點，尚處于研究發(fā)展階段。純金屬钚的特點 不適合作為核燃料熔點低，僅640；從室溫到熔點有六種同素異構(gòu)體，結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜；導(dǎo)熱系數(shù)僅為鈾的1/6左右；線膨脹系數(shù)大，各向異性十分明顯；力學(xué)性能屬脆性；化學(xué)穩(wěn)定性很差，極易氧化，并易與H2和CO2作用。钚多以氧化物PuO2 、氮化物、碳化物狀態(tài)應(yīng)用，也可以與UO2混合（(U, Pu)O2）使用，氧化钚的熔點高，化學(xué)穩(wěn)定性好，制備較容

11、易，現(xiàn)多用于快中子堆。钚的碳化物(U,Pu)C有較高的導(dǎo)熱率，是有希望的核燃料。 11:49彌散型燃料 將燃料顆粒彌散分布在導(dǎo)熱性好的基體中彌散型燃料是將UO2或UC等陶瓷核燃料顆粒均勻地和非裂變基體材料(金屬、非金屬或陶瓷)混合后，經(jīng)粉末冶金法壓制后燒結(jié)而成?；w特性要求：中子吸收截面小，抗輻照能力強；導(dǎo)熱率高，熱膨脹系數(shù)低，并與燃料顆粒的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)；在運行溫度范圍內(nèi)無相變，并應(yīng)有足夠的蠕變強度和韌性；對燃料、燃料包殼和冷卻劑的相容性好?？勺鳛榛w相的材料: (PWR常用Zr2)金屬材料鋁、鋯、鉬和不銹鋼等；非金屬和陶瓷材料如石墨、氧化鋁、二氧化鋯等。核燃料固體核燃料彌散型核燃料 11:

12、49彌散型燃料的特點彌散型核燃料成本較低，物理和機械性能較好，燃耗也較高，并且燃料類型可以多樣化，有利于開擴核燃料的應(yīng)用范圍輻照損傷只限于彌散相附近，對基體的影響較小，當(dāng)燃耗逐漸加深時，燃料元件的腫脹小，因而提高了燃料元件的壽命。以金屬相為基體的彌散型燃料有較高的導(dǎo)熱率；金屬基體有良好韌性，加工性能好，如不銹鋼基體的核燃料可軋制成板狀高功率密度元件，已用于美國軍用裝配式動力堆。但是，由于彌散型核燃料中的裂變物質(zhì)含量低，故需采用高濃度鈾原料。11:49 陶瓷型 氧化物陶瓷、碳化物陶瓷 核燃料固體核燃料陶瓷型核燃料 目的：改善燃料性能，克服陶瓷型燃料的導(dǎo)熱和延性不足方法：(1) 將陶瓷燃料(UO2

13、)粉末或金屬間化合物粉末等彌散在金屬基體內(nèi)，或(2)用熱解碳和碳化硅包覆氧化物或碳化物的涂層顆粒燃料，再將這些顆粒燃料彌散在石墨體內(nèi)用途：作為高溫堆燃料，如高溫氣冷堆的燃料11:49陶瓷型核燃料主要是二氧化鈾(UO2)、碳化鈾(UC)及氮化鈾(UN)，其中二氧化鈾是應(yīng)用最廣、研究最深入的一種。 核燃料固體核燃料陶瓷型核燃料 11:49UO2燃料的性質(zhì)壓水堆主要是用二氧化鈾瓷型核燃料，優(yōu)良特性：1. 熔點高: 28652. fcc結(jié)構(gòu)(CaF2結(jié)構(gòu))，在熔點下無晶型轉(zhuǎn)變，各向同性，抗輻照穩(wěn)定性好。3. 與水和包殼材料的相容性好。4. 熱中子俘獲截面極低(0.0002 barn) ；與金屬鈾相比的

14、不足1. 密度較低, 10.9g/cm32. 導(dǎo)熱率僅為金屬鈾的十幾分之一，溫度梯度大3. 質(zhì)脆且硬，由于大溫度梯度造成的熱應(yīng)力而開裂?？梢姡沾啥趸欕m有不足之處；但其優(yōu)良特性仍是主導(dǎo)的一面，目前動力堆廣泛用它作為核燃料。O/U比狀態(tài)圖UO2的晶體結(jié)構(gòu) 11:49為什么在壓水堆內(nèi)不直接用金屬鈾而要用陶瓷UO2燃料？(1) 金屬鈾的優(yōu)點是熱導(dǎo)率較高，密度大，易于加工。(2) 但金屬鈾的缺點非常明顯： a) 熔點較低，化學(xué)性質(zhì)活潑，易氧化； b) 在一定溫度下會發(fā)生相變：T662為相，662T772為相， 772T1133為相。當(dāng)其由相轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄷r，其性質(zhì)變得硬而 脆，密度也變小。 c) 金屬鈾

15、在高溫水中的抗腐蝕和抗輻照性能都較差。(3) UO2的熔點高、熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性良好，有利于加深燃耗；(4) UO2有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，與包殼和冷卻劑材料的相容性也較好；(5) UO2的主要缺點是熱導(dǎo)率較低。從綜合性能看UO2的綜合性能要優(yōu)于金屬鈾，故UO2是壓水型動力堆中應(yīng)用最廣泛的燃料。11:49ADU（鈾酸胺鹽 (NH4)U2O7）流程AUC（三碳酸鈾酰胺(NH4)4UO2(CO3)3）流程IDR流程UO2粉末制備ADU法工藝流程圖11:49(1) UO2粉末壓制成型將松散的粉末壓制成具有一定形狀、尺寸、密度和強度的坯塊(2) 燒結(jié)將粉末壓制成的坯塊通過高溫?zé)商沾捎绊慤O2高溫?zé)Y(jié)的

16、因素有：粉末性質(zhì)：顆粒尺寸、形狀、多孔性、比表面積、粉末密度、O/U等。壓制參數(shù)：粘接劑、潤滑劑添加物及坯塊密度燒結(jié)氣氛：水冷堆用UO2芯塊生產(chǎn)中均用高溫氫氣氛燒結(jié)，可有效去除超化學(xué)計算量的過剩氧，使OU接近2.00。UO2芯塊制備11:49燃料組件制造11:49芯塊制造對性能的影響二氧化鈾燃料的制造對其熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)以及堆內(nèi)行為和裂變產(chǎn)物行為等有較大的影響，主要有：燒結(jié)密度，以理論密度的百分?jǐn)?shù)（TD）來表示孔隙率，包括開口孔率和閉口孔率晶格中過剩的氧原子數(shù)量UO2芯塊的質(zhì)量要求：密度951.5%理論密度開口孔1%O/U原子比2.0002.015晶粒度525微米總含氫量2mg/guO/U

17、比狀態(tài)圖11:49UO2燃料在反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生熱能，由于氧化物導(dǎo)熱性能差，燃料棒內(nèi)沿徑向的溫差大，形成大的溫度梯度燃料棒中心溫度高達(dá)2000oC外緣溫度只有500600oC熱應(yīng)力導(dǎo)致燃料表面出現(xiàn)裂紋，隨燃耗的加深，將出現(xiàn)芯塊變形開裂，導(dǎo)致包殼變形裂變產(chǎn)物的氣體析出，使燃料棒內(nèi)壓升高體積腫脹固體裂變產(chǎn)物的析出，腐蝕包殼管UO2燃料的輻照特性11:49燃料、包殼的變形燃料芯塊變形損壞示意圖燃料包殼的竹節(jié)變形示意圖燃料芯塊包殼11:49UO2受輻照后的行為芯塊開裂 (UO2能受T=100/cm，而燃料溫度梯度達(dá)1031040/cm)重結(jié)晶芯塊密實化輻照腫脹裂變產(chǎn)物析出熔點降低U、O等元素徑向遷移11:49UO2輻照后的組織變化正常工況下組織變化發(fā)生熔化后的組織變化11:49核廢料泛指在核燃料生產(chǎn)、加工和核反應(yīng)堆用過的不再需要的并具有放射性的廢料。也專指核反應(yīng)堆用過的乏燃料，經(jīng)后處理回收钚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廢料。核廢料的特征是：放射性: 核廢料的放射性不能用一般的物理、化學(xué)和生物方法消除，只能靠放射性核素自身的衰變而減少。射線危害: 核廢料放出的射線通過物質(zhì)時，發(fā)生電離和激發(fā)作用，對生物體會引起輻射損傷。熱能釋放: 核廢料中放射性核素通過衰變放出能量，當(dāng)放射性核素含量較高時，釋放