核反應(yīng)堆工程01課件

核能開發(fā)與應(yīng)用2010-2011學(xué)年第二學(xué)期課程介紹課程名稱：核能開發(fā)與應(yīng)用主講：趙海歌電話：26536218，郵件：課件登錄地址：登錄密碼：zhaohg課程主要內(nèi)容一、核燃料與核燃料循環(huán)二、核能的軍事應(yīng)用三、核反應(yīng)堆工程核反應(yīng)堆類型、核反應(yīng)堆物理、核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)與材料、核反應(yīng)堆安全四、核聚變概論課程考試要求考試形式：期末閉卷考試成績分配：平時40%，期末60%平時成績考評：點(diǎn)名8分，課堂表現(xiàn)12分作業(yè)20分第一講核燃料與核燃料循環(huán)

第一章：核能概述

核能是20世紀(jì)出現(xiàn)的一種新能源。自世界上第一座反應(yīng)堆運(yùn)行成功至今，不過經(jīng)歷了短短的70年的時間，但核能已經(jīng)獲得了很大的發(fā)展。當(dāng)年費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)啟動的世界第一座反應(yīng)堆功率儀為0.5W，后來也只達(dá)到200W，而據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)公布的資料，到2002年11月，全世界核電的總裝機(jī)容量已達(dá)356746Mw，占世界發(fā)電總裝機(jī)容量的17％，加上研究性反應(yīng)堆、生產(chǎn)反應(yīng)堆、推動核動力船艦的反應(yīng)堆所產(chǎn)生的核能，那就更多了。2002年，全世界正在運(yùn)行的發(fā)電反應(yīng)堆(核電機(jī)組)442座，已建成用于推動核能艦船等的浮動核動力堆700多座，研究用反應(yīng)堆651座，以及許多生產(chǎn)堆。目前，核能已占世界總能源消費(fèi)量的6％。第一講核燃料與核燃料循環(huán)第一章核能概述

核能歷史的簡單回顧什么是核能?裂變能:是通過一些重原子核裂變釋放出的能量。例如，一個鈾-235原子核在中子的作用下裂變生成兩個較輕的原子核，在這個過程中釋放出的能量就是核能。核聚變能:是由兩個輕原子核結(jié)合在一起釋放出的能量。例如，氫的同位素氘(又叫重氫)和氚(又叫超重氫)的原子核結(jié)合在一起生成氦(4He)，在這個過程中釋放出的能量就是核聚變能。目前工業(yè)應(yīng)用規(guī)模的只有核裂變能，核聚變能只用于軍用，即制造氫彈.受控核聚變或受控?zé)岷朔磻?yīng):通過有控制地緩慢地釋放核聚變能達(dá)到大規(guī)模地和平利用叫做。受控?zé)岷朔磻?yīng)迄今尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。核能分為兩種，一種叫核裂變能，簡稱裂變能；一種叫核聚變能，簡稱聚變能。第一講核燃料與核燃料循環(huán)第一章：核能概述

第二章：核燃料與核燃料循環(huán)概述：核能的產(chǎn)生離不開核燃料。當(dāng)前，產(chǎn)生核能(核裂變能)離不開鈾、钚和釷這三種元素，鈾和釷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，它是通過核反應(yīng)生產(chǎn)出來的人工放射性元素。核燃料包括鈾、釷和钚。目前，核能的產(chǎn)生及應(yīng)用，基本上是依靠鈾這種核燃料，從鈾礦的勘探和開采、鈾的加工和精制、鈾的轉(zhuǎn)化、鈾的同位素分離、核反應(yīng)堆元件的制造、對反應(yīng)堆用過的核燃料(叫做乏燃料)進(jìn)行后處理以及對產(chǎn)生的放射性廢物的處理與處置，形成了一個循環(huán)系統(tǒng)，叫做核燃料循環(huán)。核燃料循環(huán)構(gòu)成了核能工業(yè)的基礎(chǔ)。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)1、鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)當(dāng)中子撞擊鈾原子核時，一個鈾核吸收了一個中子而分裂成兩個輕原子核．同時發(fā)生質(zhì)量虧損，因而放出很大的能量，并產(chǎn)生2—2個新中子。這就是核裂變反應(yīng)。根源：穩(wěn)定的原子核吸收中子后，變得不穩(wěn)定了。235U裂變反應(yīng)式：X1、X2稱為裂變碎片（裂變產(chǎn)物,放射性）。裂變產(chǎn)物：Zn至Dy（30號~66號元素）如：裂變能量：E=200MeV1g鈾完全裂變：2500噸標(biāo)準(zhǔn)煤2.276104kW?h第二章：核燃料與核燃料循環(huán)2、核燃料：U-235(天然）、U-233、Pu-239第二章：核燃料與核燃料循環(huán)3、鈾（U）1789年，德國化學(xué)家克拉普羅特發(fā)現(xiàn)（化合物）。1841年，法國化學(xué)家佩里戈特分離出元素鈾。鈾是92號元素，原子序數(shù)為92，原子量為238，化學(xué)符號為U鈾廣泛分布在地殼和海水中，地殼中鈾的平均含量約為2g/t，海水中約為0.36-2.3個/L。鈾礦物：155種，鈾礦石幾乎都以鈾的氧化物存在。鈾的天然豐度：238U：99.284%,235U:0.711%,234U:0.0054%金屬鈾是一種軟的銀白色金屬，密度：19.214g/cm3,熔點(diǎn)：1132.30C第二章：核燃料與核燃料循環(huán)钚的大規(guī)模制備是通過反應(yīng)堆中的核反應(yīng)進(jìn)行的，由鈾-238吸收中子后生成，再用溶劑萃取和離子交換純化。钚是易裂變的放射性元素，能用作核燃料，用于制造核武器。钚用作快中子增殖反應(yīng)堆燃料時，新形成的钚比消耗的钚還要多。1941年3月28日，沃爾首度用加速器生產(chǎn)了大約0.5微克的純钚239，而證實(shí)它能夠以熱中子來激發(fā)裂變，產(chǎn)生比鈾235的裂變更大的能量（它的裂變截面積后來證實(shí)比鈾235約多百分之五十）。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)5、釷（Th）周期表位置：90號，原子序數(shù)為90，原子量為232釷的發(fā)現(xiàn)：瑞典化學(xué)家白則里1828年從礦石中提煉出來。密度：11.72熔點(diǎn):1750C主要用途:核燃料高溫氣冷堆可采用釷-鈾循環(huán)充分利用釷。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)6、核燃料循環(huán)核燃料的應(yīng)用：軍用與民用核燃料循環(huán)：目前核能的產(chǎn)生及應(yīng)用，基本上依靠鈾這種核燃料，從鈾礦的勘探和開采、鈾的加工和精制、鈾的轉(zhuǎn)化、鈾的同位素分離、核反應(yīng)堆元件的制造、對反應(yīng)堆用過的核燃料（乏燃料）進(jìn)行后處理以及對產(chǎn)生的放射性廢物的處理與處置，形成了一個循環(huán)系統(tǒng)，稱為核燃料循環(huán)。核燃料循環(huán)構(gòu)成了核能工業(yè)的基礎(chǔ)。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)6、1鈾礦的勘探和開采鈾礦勘探的主要任務(wù)是查明鈾資源，勘探鈾礦床，探明鈾儲量?？碧椒椒ǎ撼艘话闾降V的技術(shù)之外，主要是利用鈾具有放射性的特點(diǎn)（尤其214Po），以及溢出的氡氣（222Rn）的放射性來進(jìn)行放射性探測。探測儀器主要有蓋革計(jì)數(shù)器、閃爍計(jì)數(shù)器等?？罩刑綔y——地面、地層探測——露天、坑道開采6、2鈾礦石的加工和精制將開采出的礦石（堆浸、地浸）通過水法冶金加工成重鈾酸銨、三碳酸鈾酰胺等中間產(chǎn)物（6價鈾，黃餅）進(jìn)行精制，去除雜質(zhì)，生產(chǎn)出U3O8、UO2。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)二氧化鈾金屬鈾6、5在反應(yīng)堆中使用核燃料核燃料元件裝入反應(yīng)堆中使用，就是通過鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)釋放核能。核燃料在反應(yīng)堆中經(jīng)過鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)后形成一個很復(fù)雜的體系，包括很多的產(chǎn)物：未用完的U-235、U-238、新生成的Pu-239、以及裂變碎片和活化產(chǎn)物（近40種元素、上百種初級裂變產(chǎn)物，放射性核素達(dá)300余種），238U連續(xù)俘獲中子生成的次要錒系元素。6、6核燃料后處理用于從乏燃料中回收有用的可裂變物質(zhì)，主要是鈾和钚。還可以同時獲得镅等次要錒系元素和其他有用的放射性同位素加以利用。鈾、钚的回收率大于99%，裂變產(chǎn)物的去污系數(shù)（處理前后鈾或钚中裂變產(chǎn)物的含量之比）達(dá)107～108。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)乏燃料運(yùn)輸容器6、7放射性廢物的處理對于短壽命中、低放廢物采用地表處置，對于長壽命的低、中放廢液，經(jīng)減容后進(jìn)行水泥固化，采用深地層埋藏處置。對于高放廢液，經(jīng)減容后進(jìn)行玻璃固化（固體硅硼酸鹽玻璃塊），采用深地層埋藏處置。新技術(shù)：分離-嬗變法先用化學(xué)方法，將高放液中的具有放射性的镅、鋦等與其他裂變產(chǎn)物分離，將剩余部分經(jīng)減容后進(jìn)行玻璃固化，埋藏在深地層中。將镅、鋦通過中子嬗變變成短半衰期或穩(wěn)定的其他核素。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)包括上述7步的核燃料循環(huán)叫做閉式(或閉合)燃料循環(huán)。大多數(shù)國家如英、法、中國、聯(lián)邦德國、日本、意大利、俄羅斯、阿根廷和印度等皆采用核燃料循環(huán)的方針，對于壓水堆電站乏燃料進(jìn)行后處理，以大大減少需要最終處置的放射性核素，并把鈾和钚循環(huán)使用。乏燃料元件暫時或永久不進(jìn)行后處理，而是將其儲存起來，叫做一次通過式，這是一種不閉合循環(huán)。美國、加拿大、瑞典等采用一次通過式。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)一次通過式有些國家考慮對壓水堆電站乏燃料不進(jìn)行后處理，而直接包裝或經(jīng)切割后包裝，然后送到深地層的最終處置庫永久儲藏起來。這樣未經(jīng)后處理也就是沒有封閉的核燃料循環(huán)，稱做一次通過。加拿大核發(fā)電用的是重水堆,燃料用天然鈾，燒過后其中鈾235含量只有0.3％，所以對核燃料循環(huán)一直采取一次通過的方針。有些國家對于壓水堆電站的核燃料循環(huán)也考慮采取一次通過的方針，這是因?yàn)檫@些國家的后處理和高放廢液處理的費(fèi)用十分高。但是，一個1000兆瓦的壓水堆電站卸下燃料中所含錒系元素的放射性高達(dá)10萬居里左右，把這樣大量的極長半衰期的放射性核素長期埋在地下能否保證安全尚未肯定，把大量可以利用的鈾238和钚239埋在地下廢棄不用也是不合理的。第二章：核燃料與核燃料循環(huán)除了鈾-钚循環(huán)方式以外，還有快中子增殖堆(簡稱快堆)鈾（钚）的循環(huán)方式以及釷-鈾循環(huán)方式等。

快堆鈾（钚）循環(huán)從最大限度利用鈾資源的角度來看，應(yīng)發(fā)展快中子增殖堆。這種堆以钚239為燃料,并裝載鈾-238,在堆中所裝鈾-238轉(zhuǎn)化成為钚-239的量大于燒掉的钚-239的量，將占天然鈾99％以上的鈾-238也利用起來，進(jìn)行鈾（钚）循環(huán)。鈾（钚）循環(huán)就是在快堆中將鈾-238轉(zhuǎn)化為钚239，并通過后處理把钚分離出來,作為快堆的燃料循環(huán)使用。在發(fā)展初期，可用壓水堆后處理得到的钚作為裝料；發(fā)展到一定規(guī)模后，就可用快堆自己增殖的钚作為燃料。第二章：核燃料