《核燃料循環(huán)》PPT課件.ppt

1、第八章 核燃料循環(huán),楊金玲,第八章 核燃料循環(huán),核燃料 反應(yīng)堆類型 燃料循環(huán) 核燃料后處理,第八章 核燃料循環(huán),核燃料,含有易裂變核素，能夠在反應(yīng)堆內(nèi)實現(xiàn)自持鏈式核裂變反應(yīng)的物質(zhì)叫做核燃料。它主要由易裂變核素和可轉(zhuǎn)換核素兩種成分組成。,易裂變核素(fissile nuclides)：是指能與慢中子作用而產(chǎn)生裂變的核素。通常又把含有一種或幾種易裂變核素并在適當(dāng)條件下能達到臨界的材料稱為易裂變材料。主要易裂變核素有235U、239Pu和233U，241Pu也具有良好的裂變性能。 可轉(zhuǎn)換核素：是指俘獲中子后能直接或間接地轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢炎兒怂氐暮怂?。通常又把含有一種或幾種可轉(zhuǎn)換核素的材料稱為可轉(zhuǎn)換材料(f

2、ertile material)。主要的可轉(zhuǎn)換核素有238U和232Th，240Pu和234U也能起可轉(zhuǎn)換核素的作用?？赊D(zhuǎn)換核素本身雖不易為慢中子所分裂，但因它們能在吸收中子后轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢炎兒怂兀蕴烊烩?238U占99.274%)和天然釷(232Th)乃是最基礎(chǔ)的核燃料。天然鈾是目前最主要的核燃料來源，它既可直接用作生產(chǎn)堆和重水型動力堆的燃料，也可通過同位素分離獲得用途更廣泛的濃縮鈾。,第八章 核燃料循環(huán),2. 反應(yīng)堆類型,從應(yīng)用的角度看，可把反應(yīng)堆按用途分為動力堆、生產(chǎn)堆、研究試驗堆和特殊用途堆等四大類。動力堆主要用于核能發(fā)電、供熱和作為推進動力。目前世界各國正在大力建造的各種類型的動力反

3、應(yīng)堆。生產(chǎn)堆主要用于生產(chǎn)易裂變材料239Pu和/或產(chǎn)氚3H。在上世紀50-60年代，美、蘇等國為生產(chǎn)軍用钚，曾大批建造這種類型的反應(yīng)堆，但到了70年代末期，軍用钚的儲量已達到相當(dāng)規(guī)模，因此這些國家也不再發(fā)展這類反應(yīng)堆了。研究試驗堆主要用作強中子源和從事物理、材料及生物等方面的試驗研究工作；也可為反應(yīng)堆工程設(shè)計提供數(shù)據(jù)或兼用于生產(chǎn)放射性核素。 不同用途的反應(yīng)堆對工藝參數(shù)的要求大不一樣，如研究試驗堆主要要求有較高的中子通量；生產(chǎn)堆最重要的是有大的轉(zhuǎn)換比；而動力堆則要求有較高的熱功率和燃料輻照深度。由此進而對反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)和燃料體系提出了不同的要求。如對生產(chǎn)堆而言，堆結(jié)構(gòu)和燃料體系的選擇應(yīng)盡可能滿足提

4、高轉(zhuǎn)換比的需要，因而世界各國普遍采用天然鈾石墨反應(yīng)堆來進行钚的生產(chǎn)；但對于動力堆，為了加深燃耗和增大功率，目前各國采用以低濃鈾為燃料的輕水堆（包括壓水堆和沸水堆）。,按燃料布置型式分類的反應(yīng)堆 從核燃料后處理的角度看，按堆芯燃料布置型式，把反應(yīng)堆劃分為均勻和非均勻兩大類更有實際意義。對此兩種類型反應(yīng)堆的輻照材料有完全不同的后處理方式。對均勻堆而言，多為流體性燃料，一般可采用連續(xù)后處理方式，進而大大簡化了處理流程。而對非均勻堆，燃料通常以固體燃料元件方式裝卸，只能是分批進行后處理。由于多方面的原因，目前廣泛使用和建造的反應(yīng)堆多數(shù)仍屬非均勻堆，均勻堆還只是處于試驗階段。,第五章 核素圖和同位素手冊

5、,核燃料循環(huán),核燃料進入反應(yīng)堆前的制備和在反應(yīng)堆中燃燒及以后的處理的整個過程稱為核燃料循環(huán)。這個過程包括：鈾（釷）資源開發(fā)、礦石加工冶煉、鈾同位素分離和燃料加工制造，燃料在反應(yīng)堆中使用，乏燃料后處理和核廢物處理、處置等三大部分。也有一些國家考慮對乏燃料不進行后處理，或暫不考慮后處理。因此，前者為閉式核燃料循環(huán)（圖1-1），后者為開式核燃料循環(huán)或一次通過式核燃料循環(huán)（圖1-2）。,第八章 核燃料循環(huán),第八章 核燃料循環(huán),由于裝在堆內(nèi)的易裂變?nèi)剂媳仨毥?jīng)常保持（或大于）臨界質(zhì)量，否則不可能維持鏈式反應(yīng)。為了要在一定運行周期內(nèi)發(fā)出額定功率，堆內(nèi)需留有超過臨界質(zhì)量的易裂變?nèi)剂?，使反?yīng)堆活性區(qū)具有后備反應(yīng)

6、性。當(dāng)燃料達到一定的燃耗(burn up)深度，由于燃料的消耗，以及運行期間產(chǎn)生并積累的裂變產(chǎn)物的毒化效應(yīng)，使后備反應(yīng)性接近消失時，雖然燃料元（組）件中尚含有相當(dāng)數(shù)量的易裂變?nèi)剂?，也得把它從堆?nèi)卸出，換入新燃料。卸出的燃料元（組）件稱為乏燃料(spent fuel)，其中含有大量的易裂變核素和可轉(zhuǎn)換核素，包括原先裝入未燃耗的和運行周期中在堆內(nèi)轉(zhuǎn)換生成的，均屬價值貴重的能量資源。因此，需要經(jīng)過后處理，將裂變產(chǎn)物分離出去，并回收這些易裂變核素和可轉(zhuǎn)換核素，重新制成可用的燃料元（組）件返回反應(yīng)堆復(fù)用，以構(gòu)成核燃料循環(huán)。而一次通過式核燃料循環(huán)，它僅利用0.5%的鈾資源，把乏燃料中尚存的235U、239

7、Pu和238U等統(tǒng)統(tǒng)廢棄不用，付諸永久埋存，這種不經(jīng)后處理的循環(huán)實不成其為循環(huán)。,第八章 核燃料循環(huán),核燃料循環(huán)按核燃料性質(zhì)可分為鈾系燃料的鈾-钚循環(huán)方式和釷系燃料的釷-鈾循環(huán)方式。 鈾-钚循環(huán)方式：包括熱中子堆鈾-钚循環(huán)和快中子增殖堆鈾-钚循 熱中子堆鈾-钚循環(huán) 以235U作為易裂變?nèi)剂?、?38U作為轉(zhuǎn)換原料、生成239Pu的燃料循環(huán)，稱為鈾-钚循環(huán)。而輕水堆（熱中子堆）鈾-钚循環(huán)通常以低富集鈾為燃料、以238U作為轉(zhuǎn)換原料、生成239Pu的燃料循環(huán)。 快中子增殖堆鈾-钚循環(huán) 快堆以239Pu為燃料，并裝載占天然鈾99%以上的238U，在堆中238U轉(zhuǎn)化成為239Pu的量大于燒掉的239P

8、u的量，并通過后處理把钚分離出來，作為快堆燃料的循環(huán)使用。因此，從最大限度利用鈾資源的角度來看，應(yīng)充分利用快堆鈾-钚循環(huán)方式的優(yōu)勢。,第八章 核燃料循環(huán),釷-鈾循環(huán)方式： 以235U（或233U）作為易裂變?nèi)剂?、?32Th作為轉(zhuǎn)換原料、生成233U的燃料循環(huán)，稱為釷-鈾循環(huán)。在熱中子堆中把232Th轉(zhuǎn)化為另外一種核燃料233U，通過后處理把233U分離出來返回堆中循環(huán)使用。從我國釷資源較為豐富的角度來看，也應(yīng)充分利用熱中子堆釷-鈾循環(huán)方式的優(yōu)勢。,第八章 核燃料循環(huán),第八章 核燃料循環(huán),4. 核燃料后處理,乏燃料是指在核反應(yīng)堆中，輻照達到計劃卸料的比燃耗后從堆中卸出，且不再在該堆中使用的核燃料。 對反應(yīng)堆中用過的核燃料所進行的化學(xué)處理，以除去裂變產(chǎn)物等雜質(zhì)并回收易裂變核素和可轉(zhuǎn)換核素以及一些其他可利用物質(zhì)的過程，稱為核燃料后處理（nuclear fuel reprocessing）。,第五章 核素圖和同位素手冊,第五章 核素圖和同位素手冊,第五章 核素圖和同位素手冊,圖2 輻照235U靶溶液的譜圖,第五章 核素圖和同位素手冊,圖3 HPGe譜儀60Co能譜圖