1、核能開發及應用核能開發及應用第一章第一章核燃料與核燃料循環核燃料與核燃料循環第一講第一講 核燃料與核燃料循環核燃料與核燃料循環o 核能歷史的簡單回顧公元前公元前5 5世紀：古希臘思想家德謨克利特提出原子論；世紀：古希臘思想家德謨克利特提出原子論；18081808年：英國化學家道爾頓提出了原子學說。認為物質都是由原子直接年：英國化學家道爾頓提出了原子學說。認為物質都是由原子直接構成的；原子是一個實心球體，不可再分割；同一類原子性質相同；不構成的；原子是一個實心球體，不可再分割；同一類原子性質相同；不同的原子是以簡單的整數比相結合同的原子是以簡單的整數比相結合18971897年，英國科學家湯姆遜做

2、陰極射線管通電發光實驗時，發現原子中年，英國科學家湯姆遜做陰極射線管通電發光實驗時，發現原子中存在電子存在電子19041904年湯姆生提出了一個被稱為年湯姆生提出了一個被稱為“西瓜式西瓜式”結構的原子結構結構的原子結構模型，電子就像模型，電子就像“西瓜子西瓜子”一樣鑲嵌在帶正電的一樣鑲嵌在帶正電的“西瓜瓤西瓜瓤”中電子的中電子的發現使人們認識到原子是由更小的粒子構成的發現使人們認識到原子是由更小的粒子構成的18981898年：居里夫人發現了鐳。年：居里夫人發現了鐳。19111911年：英國科學家盧瑟福做了一個實驗：用一束質量比電子大很多的年：英國科學家盧瑟福做了一個實驗：用一束質量比電子大很多

3、的帶正電的高速運動的粒子轟擊金箔，結果是大多數粒子能穿過金箔帶正電的高速運動的粒子轟擊金箔，結果是大多數粒子能穿過金箔且不改變原來的前進方向，但且不改變原來的前進方向，但 也有一小部分改變了原來的方向，還有極也有一小部分改變了原來的方向，還有極少數的粒子被反彈了回來據此他提出了帶核的原子結構模型：原子少數的粒子被反彈了回來據此他提出了帶核的原子結構模型：原子是由原子核和核外電子構成是由原子核和核外電子構成19051905年：愛因斯坦提出質能方程式。年：愛因斯坦提出質能方程式。第一講第一講 核燃料與核燃料循環核燃料與核燃料循環1914年 盧瑟福通過實驗，確定氫原子核是一個正電荷單元，稱為質子其質

4、量是電子的1837倍。1919年 盧瑟福用氦原子核(a粒子)轟擊氮原子核打出質子,首次實現了人工核反應。1932年 英國物理學家詹姆斯查德威克發現了中子。1934年法國核物理學家約里奧居里夫婦用氦原子核轟擊鋁靶制得30P，首次獲得人工放射性同位素。1934年 盧瑟福在靜電加速器上用氖核轟擊固態氖靶，第一次實現了核聚變反應。1938年 德國放射化學家奧托哈思及其助手弗里茨斯特拉斯曼發現核裂變。1939年初，奧托哈恩提出了“分裂核”的概念。上述工作奠定了現代核能發現與發展的基礎上述工作奠定了現代核能發現與發展的基礎. .o 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235U

5、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聚變能。核聚變能:是由兩個輕原子核結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。 目前工業應用規模的只有核裂變能，核聚變能只用于軍用，即制造氫彈.受控核聚變或受控熱核反應:通過有控制地緩慢地釋放核聚變能達到大規模地和平利用。受控熱核反應迄今尚未實現工業化應用。o核能分為兩種，一種叫核裂變能，簡稱裂變能；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。一種叫核聚變能，簡稱聚變能。第一講第一講 核燃料與

6、核燃料循環核燃料與核燃料循環o 概述：核能的產生離不開核燃料。當前，產生核能(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，它是通過核反應生產出來的人工放射性元素。核燃料包括鈾、釷和钚。目前，核能的產生及應用，基本上是依靠鈾這種核燃料，o 從鈾礦的勘探和開采、鈾的加工和精制、鈾的轉從鈾礦的勘探和開采、鈾的加工和精制、鈾的轉化、鈾的同位素分離、核反應堆元件的制造、對化、鈾的同位素分離、核反應堆元件的制造、對反應堆用過的核燃料反應堆用過的核燃料( (叫做乏燃料叫做乏燃料) )進行后處理以進行后處理以及對產生的放射性廢物的處理與處置，形成了一及對產

7、生的放射性廢物的處理與處置，形成了一個循環系統，叫做核燃料循環。個循環系統，叫做核燃料循環。o核燃料循環構成了核能工業的基礎。核燃料循環構成了核能工業的基礎。第一講第一講 核燃料與核燃料循環核燃料與核燃料循環1、鏈式裂變反應o 當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生質量虧損，因而放出很大的能量，并產生2個新中子。這就是核裂變反應。o 根源：穩定的原子核吸收中子后，變得不穩定了。第一講第一講 核燃料與核燃料循環核燃料與核燃料循環o235U裂變反應式：o 裂變產物：Zn至Dy（30號66號元素）o 裂變能量：E=200MeV 1kg鈾完全裂變：2500噸標準煤 2

8、.276104kWho 條件：一定的質量，熱中子轟擊第一講第一講 核燃料與核燃料循環核燃料與核燃料循環2、核燃料：235U(天然)、233U、239Pu第一講第一講 核燃料與核燃料循環核燃料與核燃料循環3、鈾（鈾（U U）o 17891789年，德國化學家克拉普羅特發現（化合物）。年，德國化學家克拉普羅特發現（化合物）。 18411841年，法國化學家佩里戈特分離出元素鈾。年，法國化學家佩里戈特分離出元素鈾。o 鈾是鈾是9292號元素，原子序數為號元素，原子序數為9292，原子量為，原子量為238238，化學符號，化學符號為為U Uo 鈾廣泛分布在地殼和海水中，地殼中鈾的平均含量約為鈾廣泛分布

9、在地殼和海水中，地殼中鈾的平均含量約為2g/t2g/t，海水中約為，海水中約為4545億噸。億噸。o 鈾礦物：鈾礦物：155155種，鈾礦石幾乎都以鈾的氧化物存在。種，鈾礦石幾乎都以鈾的氧化物存在。o 鈾的天然豐度：鈾的天然豐度： 238238U U：99.284%, 99.284%, 235235U:0.711%, U:0.711%, 234234U:0.0054%U:0.0054%o 金屬鈾是一種軟的銀白色金屬，密度：金屬鈾是一種軟的銀白色金屬，密度：19.214g/cm19.214g/cm3 3, ,熔點：熔點：1132.31132.30 0C C第一講第一講 核燃料與核燃料循環核燃料與

10、核燃料循環4、钚（钚（PuPu）o 钚是銀白色金屬，熔點钚是銀白色金屬，熔點640640，沸點，沸點 32343234。在干燥的空氣中，。在干燥的空氣中，表面的氧化膜起保護作用，氧化緩慢，但有水氣存在下氧化表面的氧化膜起保護作用，氧化緩慢，但有水氣存在下氧化膜被破壞，容易被氧化。钚溶于鹽酸、磷酸，但不溶于硝酸膜被破壞，容易被氧化。钚溶于鹽酸、磷酸，但不溶于硝酸和濃硫酸。钚的氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽易溶于水，氧化物、和濃硫酸。钚的氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽易溶于水，氧化物、氫氧化物、草酸鹽碳酸鹽不溶于水。钚有劇毒，一片阿斯匹氫氧化物、草酸鹽碳酸鹽不溶于水。钚有劇毒，一片阿斯匹林大小的钚，足以毒死林大小

11、的钚，足以毒死2 2億人，億人，5 5克的钚足以毒死人類。钚的克的钚足以毒死人類。钚的毒性比砒霜大毒性比砒霜大4.864.86億倍億倍 。 o 化學符號化學符號 PuPu，原子序數，原子序數 94 94 ，為錒系元素的成員和人工放射，為錒系元素的成員和人工放射性元素。半衰期最長的同位素是钚性元素。半衰期最長的同位素是钚244244。19401940年美國年美國G.T.G.T.西博西博格、格、E.M.E.M.麥克米倫、麥克米倫、J.W.J.W.肯尼迪和肯尼迪和A.C.A.C.沃爾用沃爾用152.4152.4厘米回旋加厘米回旋加速器加速的速器加速的1616兆電子伏氘核轟擊鈾時發現钚兆電子伏氘核轟擊

12、鈾時發現钚 238238。第二年又發。第二年又發現钚的最重要的同位素钚現钚的最重要的同位素钚 239239。在自然界中只找到兩種钚同。在自然界中只找到兩種钚同位素，一種是從氟碳鈰鑭礦中找到的微量钚位素，一種是從氟碳鈰鑭礦中找到的微量钚 244244，它具有足，它具有足夠長的半衰期，可能是地球上原始存在的。另一種是從含鈾夠長的半衰期，可能是地球上原始存在的。另一種是從含鈾礦物中找到的钚礦物中找到的钚239239，是鈾，是鈾238238吸收自然界里的中子而形成的。吸收自然界里的中子而形成的。其他钚同位素都是通過人工核反應合成的其他钚同位素都是通過人工核反應合成的 。第一講第一講 核燃料與核燃料循環

13、核燃料與核燃料循環o 钚的大規模制備是通過反應堆中的核反應進钚的大規模制備是通過反應堆中的核反應進行的，由鈾行的，由鈾-238 -238 吸收中子后生成，再用溶劑吸收中子后生成，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堆燃料時，新形成的钚用作快中子增殖反應堆燃料時，新形成的钚比消耗的钚還要多。比消耗的钚還要多。 o 19411941年年3 3月月2828日，沃爾首度用加速器生產了大日，沃爾首度用加速器生產了大約約0.50.5微克的純钚微克的純钚239239，

14、而證實它能夠以熱中子，而證實它能夠以熱中子來激發裂變，產生比鈾來激發裂變，產生比鈾235235的裂變更大的能量的裂變更大的能量（它的裂變截面積后來證實比鈾（它的裂變截面積后來證實比鈾235235約多百分約多百分之五十）。之五十）。 第一講第一講 核燃料與核燃料循環核燃料與核燃料循環5 5、釷（、釷（ThTh）周期表位置：周期表位置：9090號，原子序數為號，原子序數為9090，原子量，原子量 為為232232釷的發現：瑞典化學家白則里釷的發現：瑞典化學家白則里18281828年從礦石中提年從礦石中提煉出來。煉出來。密度：密度：11.72 11.72 熔點熔點:1750C:1750C 主要用途主

15、要用途: : 核燃料核燃料 高溫氣冷堆可采用釷高溫氣冷堆可采用釷- -鈾循環鈾循環充分利用釷。充分利用釷。第一講第一講 核燃料與核燃料循環核燃料與核燃料循環6 6、核燃料循環、核燃料循環o 核燃料的應用：軍用與民用核燃料的應用：軍用與民用o 核燃料循環：目前核能的產生及應用，基本上依核燃料循環：目前核能的產生及應用，基本上依靠鈾這種核燃料，從鈾礦的勘探和開采、鈾的加靠鈾這種核燃料，從鈾礦的勘探和開采、鈾的加工和精制、鈾的轉化、鈾的同位素分離、核反應工和精制、鈾的轉化、鈾的同位素分離、核反應堆元件的制造、對反應堆用過的核燃料（乏燃料）堆元件的制造、對反應堆用過的核燃料（乏燃料）進行后處理以及對產

16、生的放射性廢物的處理與處進行后處理以及對產生的放射性廢物的處理與處置，形成了一個循環系統，稱為核燃料循環。置，形成了一個循環系統，稱為核燃料循環。o核燃料循環構成了核能工業的基礎。核燃料循環構成了核能工業的基礎。第一講第一講 核燃料與核燃料循環核燃料與核燃料循環鈾礦的勘探和開采：鈾礦的勘探和開采：鈾礦勘探的主要任務是查明鈾資源，勘探鈾礦床，鈾礦勘探的主要任務是查明鈾資源，勘探鈾礦床，探明鈾儲量。探明鈾儲量。勘探方法：除了一般探礦的技術之外，主要是利用勘探方法：除了一般探礦的技術之外，主要是利用鈾具有放射性的特點（尤其鈾具有放射性的特點（尤其214214PoPo），以及溢出的），以及溢出的氡氣（氡氣（222222RnRn）的放射性來進行放射性探測。探測）的放射性來進行放射性探測。探測儀器主