核燃料循环第一章 授课概要文档格式.docx
- 文档编号:20303666
- 上传时间:2023-01-21
- 格式:DOCX
- 页数:29
- 大小:730.70KB
核燃料循环第一章 授课概要文档格式.docx
《核燃料循环第一章 授课概要文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《核燃料循环第一章 授课概要文档格式.docx(29页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
1.935
1.959
0.621
0.208
7.844
日本
1.947
0.539
0.878
0.179
3.952
德国
1.517
0.933
1.056
0.452
0.069
4.027
英国
1.291
1.441
0.658
0.338
0.025
3.753
法国
1.566
0.655
0.206
1.659
0.247
4.333
韩国
2.215
0.507
1.071
0.614
0.036
4.443
中国
0.213
0.023
0.619
0.008
0.049
0.912
当前,世界上的主要能源是煤、石油、天然气这些化石燃料,化石燃料不是可再生能源,用掉一点儿就少一点儿。
燃烧化石燃料向大气排放大量的“温室气体”二氧化碳、形成酸雨的二氧化硫和氮的氧化物,并排放大量的烟尘,这些有害的物质对环境造成了严重的破坏。
核能不产生这些有害物质。
1987年,世界卫生组织总干事布伦特兰领导的世界环境和发展委员会提出了“可持续发展”的概念。
为了实现可持续发展,人类迫切地需要新的替代能源。
在开发新型能源时,人们往往首先想到除水力资源外的可再生能源,如太阳能、风能、地热能、潮汐能等等。
但是这些可再生能源的能量过于分散、间断性,难以收集,因受多种条件限制,只能在一定条件下有限的开发,很难大量利用,估计每种能源在总能源利用中很难超过1%。
尽管太阳能是一种清洁的、可再生能源,但由于它的能流密度太低,在单位面积上得到的能量很小,一座1000MW的太阳能电站,为吸取太阳能的地面面积大约是108m2,要把这样大面积的太阳能收取和集中到发电站来所需的技术措施和经济代价都是难以接受的。
所以,在可预见的将来,这些可再生能源很难具有竞争性。
据推测,在今后20年里,这些可再生能源占世界的发电份额仍将低于3%。
基于这一事实,世界能源委员会还是将注意力转向了核能。
因此,目前唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源,就是核能。
核能的开发利用是人类最终解决能源需求的希望。
利用核能发电是核能和平利用的最重要方面,也是解决某些国家和地区当前能源短缺的现实途径。
从1954年6月前苏联奥布宁斯克核电站0.5万千瓦核电机组并网发电,建立了世界上第一座核电站,人类首次实现了核能的和平利用开始,许多国家和地区都相继制定了发展核电的规划。
1970年世界上有核电国家14个,核电机组99个,装机容量1.5亿千瓦。
从此核电与水电平分秋色,与火电一起成为世界电力供应的三大支柱。
截止至2008年底,全世界31个国家共运行439座反应堆,总装机容量372GW,约占世界发电总量的17%。
(全球核电站分布)
核电发展阶段:
(1)实验示范阶段(1946-1965年)
军事应用的成功
探索了几乎所有堆型
(2)高速推广阶段(1966-1980年)
石油消费大增,对石油依赖的担忧
核电技术的发展
(3)滞缓发展阶段(1980-)
原油危机,各国经济发展减缓,能源需求下降
对核电经济性的乐观估计
两次核事故
我国核电起步较晚,其核电发展计划始于1970年,1985年3月秦山核电站开工建设、1991年12月15日首次并网发电,结束了中国大陆无核电的历史,并一举成为世界上第七个具备自主设计、自主建设、自主调试、自主运行管理核电厂的国家。
1994年广东大亚湾从法国引进的两台90万千瓦核电机组投入运行。
‘九五’期间我国核电发展进入了高速发展时期,广东岭澳、秦山二、三期、田湾等8座核电机组相继开工建设。
预定到2005年前后我国将有11台核电机组投入运行,装机容量达870万千瓦。
国家发改委规划到2020年将建成核电总装机容量4000万千瓦?
,从而使我国核电的装机容量占全国电力总装机容量的比例由2000年的1%上升到4%左右。
(福岛事故的影响)
截止到2009年,我国大陆共运行11台核电机组(9.1GWe),已开工建设的核电站装机约11.3GWe,已批准建设的核电站装机约23.9Gwe,总装机容量44.3GW。
核电站计划容量一期开工时间
浙江三门6×
1GWe2004.9
广东岭澳二期2×
1GWe2005.12
广东阳江6×
1GWe2006
浙江秦山二期2×
0.6GWe2006
辽宁红沿河6×
1GWe2007.8
福建宁德6×
1GWe2008.2
山东海阳6×
1GWe2008.9
浙江方家山2×
1GWe2008.11
福建福清6×
江西彭泽8×
1GWe2009
湖南桃花江6×
1GWe2010
湖北大畈4×
我国核能发展的方针将坚持热堆(压水堆)—快堆—聚变堆的路线。
按照我国核工业目前的技术状况,我国由热堆向快堆的过渡很难超越国际上的发展进程,如果我国2020年、2030年的核电装机容量分别达到40GWe、60GWe的话,则上述装机容量的核电站将全部采用热堆,可以设想在今后50年内,热堆电站可能仍将是全世界核电的主体,并在2050年之后继续发挥重要作用。
如果我国快堆技术发展顺利,则2020年有望建成原型快堆,2035年有可能开始进入核能市场并在2050年前后得到稳步发展,到本世纪末快堆核能系统有可能成为我国核电主力。
而通过核聚变反应获得巨大能量可谓本世纪人类的最大梦想:
人造太阳。
如果可控热核反应研究取得成功,人类将能利用海水中的重氢获得无限丰富的能源,它是未来解决世界能源和环境问题最重要的途径之一,对发展中国家和地区具有特别重要的意义。
40年来,我国先后建成中国环流器一号、中国环流器新一号、“二号A”和EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置等意味着在下个世纪中国人造太阳将横空出世!
核能的开发、利用要有核燃料的支撑,核能的持续发展更需要把核燃料不断循环起来,使未燃尽燃料得到充分利用,使新生成的核燃料得以有效利用,使其它有价核素得以广泛应用。
地球上蕴藏着数量可观的铀、钍等核裂变燃料资源,如果把它们的裂变能充分利用起来,可满足人类上千年能源需求。
1.1核能的来源和利用
●核能:
一些化学元素的原子核转变为另一些元素的原子核时,所放出的能量称为原子能。
或者更确切一些称之为原子核能。
或定义为原子核中的核子重新分配时释放出来的能量。
1.1.1
核能的来源
●原子由带正电的原子核和环绕它回转的若干外围电子所组成。
☞在正常的中性原子中,外围电子数正好等于该元素在元素周期表中的原子序数Z,它决定了该元素的化学性质和大部分物理性质。
☞原子核(atomicnucleus)是原子的中心部分,为原子直径的10-4,但其质量却占整个原子质量的99.9%以上;
原子核由N个中子+Z个质子=A个核子所构成,质子带正电,每个质子所带的电量同一个电子的电量e相等,符号相反。
中子不带电。
☞ 质子(proton)是带正电荷的核子,也是最轻化学元素氢原子核。
到目前为止的实验表明,质子是稳定粒子。
☞ 中子(neutron)是不带净电荷的核子,也是构成原子核的重要组元。
中子的质量同质子的质量很相近,分别为电子质量的1839倍和1836倍。
没有中子参与,两个或两个以上的质子不可能稳定地存在于原子核内部。
中子的静止质量为1.0086649u,略大于氢原子的质量1.0078250u。
自由中子是不稳定的,它能自发地转变成一个质子,一个电子(称β粒子)和一个电子反中微子,并释放出0.782MeV的能量。
其半衰期为614.6±
1.3s。
☞质子和中子统称为核子。
原子核中的质子数必然等于原子序数,因为在中性原子中,原子核所带的正电荷Z·
e应与全部外围电子所带的负电荷Z·
e相互抵消。
●由于原子的质量几乎全部集中于原子核中,核子数又称为质量数,它是同该原子的原子量最相近的整数。
●具有相同的质子数Z和不同的中子数N的原子,叫做同位素。
☞同一元素的几种同位素,用化学方法无法区分,但可利用质谱仪可测出它们的不同质量。
☞我们用这样的符号来表示原子序数Z和质量数A的某种同位素,X是元素的化学符号。
由于每一种元素的原子序数是一定的,下标Z常可略去。
☞具有一定的原子序数Z和质量数A的某种原子,又称为核素。
●
最轻的氢原子核仅有一个质子。
(氕)
(氕是氢的同位素之一,是氢的主要成份,普通氢中含有99.98%的氕)
☞它的同位素重氢(又叫氘)的原子核(或D)由一个质子和一个中子构成。
☞同位素超重氢(又叫氚)的原子核(或T)含有一个质子和两个中子。
氚核是不稳定的,就是说,它是一种放射性同位素。
氚原子核不断地放射出电子,同时以12.3年的半衰期衰变为另一种原子核(氦核)。
●一般地说,仅当中子与质子的数目之比值(N:
Z)在一定范围内时,原子核才稳定。
☞这比值对于轻原子核接近于1,但它随着原子序数的增加而逐渐加大,对于最重的稳定核达到大约1.5。
☞凡质子或中子过多的原子核,皆不稳定,即带有放射性。
在已知的大约2700种核素中,有300多种是稳定的,其余都是放射性的。
●原子序数Z>83的天然存在的元素,由于核内质子数太多,静电斥力太大,没有稳定同位素,都具有放射性。
(Po,钋Z=84)
铀的常见同位素 和 ,也都是不稳定的。
☞它们都不断地衰变,只不过衰变率很低,半衰期分别为7亿年和45亿年,同地球的年龄约46亿年相比,不算很短,所以地球上尚见其存在。
☞比铀更重的元素(超铀元素),一般地说,没有这样长寿命的同位素,因此在地球上没有天然的存在。
☞但例外情况有
,它的半衰期为0.83亿年,在地球上尚有微量存在。
据说远在18亿年前,至少有6座天然反应堆断断续续地运行了几十万年。
●化学反应中释放的能量,主要起源于将原子保持在分子中的力,而这种力仅同原子的外围电子结构相关。
☞当两个以上原子组成分子时,各原子的电子云会发生变形,把合拢在一块的所有原子核笼罩在内。
☞由于化合物的分子的能量总是低于它所包含的各原子的能量之和,所以这外围电子重新组合的过程会放出能量来,这就是化学结合能。
☞但这种靠化学反应中原子间的电子交换来获得的化学能的能量是很小的。
例如煤或石油燃烧时,每个碳或氢原子与氧结合成二氧化碳或水的过程,只能释放出来几个或十几个eV能量。
●与此类似,原子能起源于将核子保持在原子核中的很强的作用力,叫做核力,它能克服质子之间的静电斥力,把各核子凝聚在一起。
☞当质子和中子组织成原子核时,像在化学反应中一样,也会放出能量,这就是核结合能。
☞这种核结合能比化学结合能要大得多。
例如每一个铀原子核裂变时,就能释放出200MeV能量。
☞原子核的能量总是低于它所有质子和中子的能量之和。
按照爱因斯坦(Einstein)的能量E与质量m相互联系的规律:
E=mc2
式中E以J计;
m以kg计;
c=3×
108m/s是真空中的光速。
这一公式表明少量的质量能转换为十分巨大的能量,它揭示了核能来源的物理基础。
☞由于原子核的质量总是小于它所有质子和中子的质量之和,我们可从这质量亏损算出核结合能。
☞核力比原子核同外围电子的相互作用力要强大得多,核反应中释放的能量,就参与反应的同等质量的物质而言,要比化学反应中释放的化学能大几百万倍。
例如1kg煤燃烧释放的能量约为8kW·
h,而1kg235U裂变消耗释放的能量达到19,500,000kW·
h。
等量的核聚变燃料(氘和氚)释放出来的聚变能,比裂变能又要大4-5倍。
☞各种原子核结合的紧密程度是不一样的。
我们之所以可能利用核能,就是因为一些原子核结合得比其它原子核更紧密些。
☞原子核结合的紧密程度,用结合能除以核子数A得出的核子平均结合能来表示。
中等质量的原子核结合得最紧,平均结合能最大;
较重的和较轻的原子核的平均结合能都略为减小。
☞如果一个重核,例如质量数为235的铀原子核分裂两部分,那么生成的两个较轻核的结合能之和就会大于原来铀核的结合能。
将前后平均结合能之差乘以两个较轻核的核子总数,即得出裂变过程释放的能量。
☞另一方面,两个轻核合成一个较重核的聚合过程,由于核子在这个较重核中,结合得更紧了,也会释放出能量来。
例如,氘核、氚核和4He核的平均结合能分别为1.1、2.8和7.1MeV,由氘核与氚核聚合成氦-4核的聚变过程,将释放出4×
7.1-(2×
1.1+3×
2.8)≈17.6MeV的能量。
☞因此,核能分为两类,一类称裂变能,它是指重元素(如铀或钚等)的原子核分裂时释放出来的能量。
另一类叫聚变能,它是指轻元素(如氘和氚)的原子核发生聚变反应时释放出来的能量。
☞重核的裂变一般地要靠中子来激发。
就是说,当吸收一个中子所获得的结合能连同该中子的动能足以打破原来的核内平衡时,重核才会分裂。
☞在这里,各种核素的情况有所不同:
对质子数Z为偶数,中子数N为奇数的铀-235核吸收动能不大的慢中子便很容易分裂;
而对于Z和N均为偶数的铀-238核,仅当中子的能量大于一定的阈值时,才能引起核裂变。
这是因为铀-238核裂变所需能量超过了一个中子的结合能,须靠中子动能来补足。
●核裂变能是通过核裂变反应获得的。
目前,世界上已经成功地利用核裂变能建造核电站,并已达到工业规模的应用。
核电已经达到技术成熟、经济实惠、安全可靠的商用阶段,受到世界各国的普遍重视。
●核聚变能是通过氘-氚等轻核的聚变反应获得的。
核聚变反应必须在几千万度以上的高温和一定的等离子体密度条件下方能实现。
目前,各国科学家正在努力向最终目标前进,并取得了可喜的成果。
●核能的开发利用是人类最终解决能源需求的希望。
●海水中含有3.5×
1013t氘,如果将聚变能充分利用起来,可满足人类上百亿年的能源需求。
●核能是军、民两用的能源,它既可用于军事目的、也可用于和平目的。
核能的利用大致包括以下三个方面。
1.1.2核能的利用
1.1.2.1核动力
(1)发电
电力是现代生活的物质基础,是衡量生活水平和工业化程度的重要标志。
在原子能对经济发展的贡献中,以利用反应堆的热能来发电,即核能的和平利用最为重要;
同时也是解决某些国家当前能源短缺的现实途径。
核电厂比常规火电厂的主要优点是:
●能量高度集中,燃料费用低廉,使核电具有经济竞争力。
1kg235U或239Pu提供的热量在理论上相当于约2300t无烟煤,在现阶段的实际应用中,1kg天然铀可代替20~40t煤,因而大大节省燃料的费用。
在每kW·
h的发电成本中,核电的燃料费仅占1/4不到,煤电的燃料费占40%~60%,气电的燃料费占60%~75%,因此核电的经济性不像火电那样易受燃料价格(波动)的影响;
●因数量小而不受燃料运输或贮存的限制。
在一些幅员广袤而煤炭分布不均匀的国家中远离煤田的地区,燃煤电厂的发展已受到铁路运输容量的严重限制,而核电厂无此问题。
对于一些靠外部供应化石燃料的国家,核燃料的易于贮存大大有助于避免和缓解燃料供应危机;
●污染环境较轻。
核电厂日常运行的放射性废气与废液的排放量很小,且处于严密的监督和控制之下,周围居民由此受到的辐射剂量小于来自天然本底的1%;
而大量释放出放射性物质的严重事故,则发生的几率极低;
核电厂不向外排放CO,SO2,NOx等有害气体和固体尘粒,也不排放CO2等温室气体,而CO2涉及全球气候变暖问题,已成为当今国际关注的重点;
●替换出的有机燃料,可更加合理地利用。
煤、石油和天然气是塑料、制药、染料、合成氨、合成纤维、合成橡胶等有机化学工业的宝贵原料,在自然界中的储量有限,目前还没有旁的东西能够代替它们。
在当今的世界能源结构中,各种能源所占份额分别为石油39%、煤24%、天然气22%、水力6.9%、核能6.3%以及其他少量可再生能源。
我国以燃煤为主,1998年我国煤电所占份额高达73%。
且不说大量化石燃料的使用所造成的严重环境污染和温室效应,而对化石能源供应的持久时间已屈指可数了。
根据地球上已探明石油、天然气、和煤的储量,按目前的利用水平计,可分别持续42年、62年和224年。
也就是说,在地壳中沉睡了若干亿年的化石燃料,被人类燃烧了几百年就消耗殆尽。
由于化石燃料的可利用时间不会持续很久,以化石燃料为主的世界能源结构将在今后的几十年里有所变化。
为了满足人类不断增长的能源需求,必须开发可持续利用的能源。
在开发新型能源时,人们往往首先想到除水力资源外的可再生能源,如太阳能、风能、地热能、生物质能等等。
但是这些可再生能源的能量过于分散,难以收集,且太阳能、风能都是间断性的,所以,在可预见的将来,这些可再生能源很难具有竞争性。
核电与水电平分秋色,与火电一起成为世界电力供应的三大支柱。
此外,用核裂变热能通过热电转换方式,为运行于外层空间的空间飞行器、太空基地(如月球基地、火星基地等)提供电力和向地面输送电力的核电站称为空间核电站。
为空间飞行器提供电力的核电站也称为空间核电源系统。
空间核电源一般具有功率大(从数百瓦到兆瓦级)、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、抗电磁波干扰和耐辐射能力强、不受航天器所处轨道位置及方向的影响等独特的优势。
空间反应堆可采用以高富集铀为燃料、氢化锆为慢化剂、铍为反射层的热中子或超热中子堆,也可采用快中子堆,用液态金属锂或钠钾合金作为冷却剂,通过热电能量转换器把裂变热能转换成电能。
热电能量转换方式有静态的热电偶转换器和热电子转换器,及动态的蒸汽或气体透平发电机等。
静态转换器的技术比较成熟,但热电偶转换器的能量转换效率较低,不到5%,而热电子转换效率可达10%左右,是目前最有吸引力的热电转换方式。
(2)推进动力
将反应堆的热能转变为机械能,可用作为运输工具的推进动力。
目前核潜艇在使用核动力推进方面已取得了很大的成功,其他应用核动力推进的实例还有核动力航空母舰、核动力破冰船等。
作为空间核推进装置是利用核能作为航天器推进初级能源的核动力装置。
航天器的核能推进方式可分为核电推进(电火箭)和核热推进(核火箭)两种。
●核电推进装置是将从核能转换的电能提供给电火箭,使推进剂(例如汞或氙)电离、加速,成为等离子态的推进剂以高速排出喷管,产生推力。
电火箭具有高比冲、小推力、长寿命、高精度、高可靠性的特点,适用于各种航天器的位置保持、姿态控制、轨道修正(辅助推进)以及星际航行、星际探索、轨道转移(主推进)等用途。
利用电火箭将航天器从低的地球轨道转移到高地球轨道,比用运载火箭直接发射,可把有效载荷的质量提高几倍到几十倍。
用于侦察卫星或空间武器的变轨,在军事上更具有重要意义。
根据分析,要实现卫星变轨,需要几十千瓦以上大功率的空间电源。
核电推进装置的开发难度大,要求同时进行空间核反应堆和电火箭的研究、设计和试验。
可用的核反应堆有热离子反应堆和脉冲堆。
●核热推进装置即核火箭发动机,是用核反应堆取代液体燃料火箭发动机燃烧室,用核能取代化学能,将推进剂(氢、氦或氮)加热至极高温度,经排气喷管高速排出,产生很大的推动力,能把几十吨重的载荷送入地球轨道。
核火箭发动机的比冲量很高,能大大减少推进剂用量。
核火箭适用于星际航行,如载人火星探索等。
但其实现尚需较长时间。
美、俄两国正在合作研制这类推进装置。
(3)供热
利用核反应堆产生的能量直接供热,应当有十分广阔的市场,目前远未充分开发。
核能的低温供热(<
200℃)的主要用户是居民用热水暖气、海水淡化、造纸、制糖、水产业等;
中温供热(200~500℃)主要供应纺织工业等;
高温供热(>
500℃)的可能用户有石油开采和炼制、煤的气化和液化、化工、冶金、制氢等。
核能供热的优点类似于核能发电,即燃料运输量小、在一定条件下供热成本相对地低、对环境污染小。
利用核反应堆直接给工业提供热能已经实现。
但是,反应堆供热的温度受到冷却剂温度的限制,因而核能的这种应用方式主要用于低温供热的场合。
海水淡化在一些缺水地区也已经实现,并很有推广应用的前景。
1.1.2.2核武器
核武器亦原子武器,又称为核弹。
核武器是利用某些重元素(如铀和钚)的原子核裂变或轻元素(氘和氚)的原子核聚变反应,在极短时间内释放出巨大能量形成爆炸的一种大规模杀伤、破坏性武器。
核反应释放的能量一般比化学反应大几百万倍,因此核武器的威力要比常规炸弹大的多。
现今的核弹,其威力可从几十吨TNT当量直至几千万吨TNT当量。
核武器爆炸的杀伤因素除了冲击波和光辐射(比常炸药的冲击波和光辐射强得多)以外,还有由于核反应形成的、常规爆炸所没有的杀伤破坏因素:
贯穿辐射、放射性污染和电磁脉冲等。
核武器爆炸的杀伤破坏效应取决于爆炸方法、威力大小、及核武器的特性。
目前的核武器从设计的原理上主要可分为原子弹和氢弹两类。
从作战使用上可分为战略核武器和战术核武器,其中战术核武器也有称战役战术核武器和战区核武器。
一般的核武器系统包括核弹(火箭的核战斗部件、核鱼雷、深水核炸弹、核炮弹和核航弹等)、投射工具(导弹、轰炸机、大炮)和操纵设备。
一般认为,具有一定核工业科学技术基础以及经济实力的国家都有可能掌握原子弹或氢弹技术。
特别是谁拥有核燃料后处理技术,谁就有可能掌握原子弹或氢弹。
目前世界上拥有核武器的国家有美国、俄罗斯、英国、法国、中国和印度,还有一些国家在为拥有核武器而努力。
当今,核武器最多的国家是美国、俄罗斯。
它们的核武器不仅数量大,而且花样多,各军兵种都相应地装备了不同类型的核武器(如导弹、航弹、巡航导弹、大炮、鱼雷、地雷、水雷等)。
核武器试验亦称核试验。
为了研究和考验核武器设计的新原理,提高核武器性能,判定核武器质量,了解核武器杀伤效应,保证核武器可靠与安全等都要进行核武器试验。
1.1.2.3辐射能源
放射性核素辐射能量的应用也是核能利用的重要方面。
这种能量虽然不大,但长寿命核素的放射性能经久不衰(衰减缓慢),用它可制成小巧而可靠耐用的能源。
例如利用90Sr(半衰期28年)、238Pu(半衰期88年)等长寿命放射性同位素衰变释放的热能,通过热电偶转换成电能。
这种电源尺寸小、重量轻、寿命长,已广泛应用于地球轨道通信卫星、侦察卫星、气象卫星、
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 核燃料循环第一章 授课概要 核燃料 循环 第一章 授课 概要
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)