核能及其材料（課堂PPT）

1、核能及其燃料核能及其燃料2022-3-821.1.核能核能2022-3-83核能是不可再生能源。核能是可持續(xù)發(fā)展的能源。2022-3-84什么是核能（什么是核能（ nuclear energy 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 。2022-3-85核反應(yīng)形式核反應(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。2022-

2、3-86核反應(yīng)形式核反應(yīng)形式核衰變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。現(xiàn)在，世界上許多國家已利用地?zé)崛∨?、育種、發(fā)電等。 2022-3-87核反應(yīng)形式核反應(yīng)形式核聚變核聚變輕核聚變是指在高溫下(幾百萬度以上)兩個質(zhì)量

3、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(qiáng)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)必須在極高的壓力和溫度下進(jìn)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。 2022-3-88核反應(yīng)形式核反應(yīng)形式核聚變核聚變氘氚原子核的聚變反應(yīng)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。2022-3-89核反應(yīng)形式核反

4、應(yīng)形式核裂變核裂變 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。2022-3-810核能的應(yīng)用核能的應(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(jì)上，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。2022-3-811核能發(fā)電核能發(fā)電核能發(fā)電利用鈾燃料進(jìn)行核分裂連鎖所產(chǎn)生的熱，將水

5、加熱成高溫高壓，利用產(chǎn)生的水蒸氣推動蒸汽輪機(jī)并帶動發(fā)電機(jī)。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(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能電能2022-3-812核能發(fā)電的特點核能發(fā)電的特點 優(yōu)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

6、能電廠所使用的燃料體積小，運(yùn)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。2022-3-813核能發(fā)電核能發(fā)電 缺點缺點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核能電廠投資成本太大。 4興建核電廠較易引發(fā)政治歧見紛爭。 2022-3-8142022-3-815各國核電份額2022-3-8162022-3-8172022-3-818國內(nèi)外核電現(xiàn)狀國內(nèi)外核電現(xiàn)狀2022-3-8192.2.核燃料核燃料2022-3-820 核燃料可在核反應(yīng)堆中通過

7、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。核燃料核燃料（nuclear fuel）2022-3-821核燃料核燃料 1) 裂變核燃料裂變核燃料: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

8、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。2022-3-822核燃料的分類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，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

9、期反應(yīng)堆發(fā)展初期被研究，未發(fā)展為實用動力燃料。2022-3-823核燃料分類核燃料分類2022-3-824核燃料核燃料固體核燃料固體核燃料金屬型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(qiáng)， 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， 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)

10、冷卻 劑相容。2022-3-825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，需采用富集鈾。用于動力堆的只有鈾-鋯合金。2

11、022-3-826Pu (Pu (钚钚) )類核燃料類核燃料 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

12、性好，制備較容易，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。 2022-3-827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。基體特性要求： 中子吸收截面小，抗輻照能力強(qiáng)； 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(yùn)行溫度范圍內(nèi)無相變，并應(yīng)有足夠的蠕變強(qiáng)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。

13、核燃料核燃料固體核燃料固體核燃料彌散型核燃料彌散型核燃料 2022-3-828彌散型燃料的特點彌散型燃料的特點彌散型核燃料成本較低，物理和機(jī)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(kuò)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。 陶瓷型陶瓷型 氧化物陶瓷、碳化物陶瓷氧化物陶瓷、碳化物陶瓷

14、 核燃料核燃料固體核燃料固體核燃料陶瓷陶瓷型核燃料型核燃料 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)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2022-3-830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。 核燃料核燃料固體核燃料固體核燃料陶瓷型核燃料 2022-3-831UOUO2 2燃料的性質(zhì)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.

15、 熔點高: 2865 2. 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) ； 與金屬鈾相比的不足 1. 密度較低, 10.9g/cm3 2. 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?，陶瓷二氧化鈾雖有不足之處；但其優(yōu)良特性仍是主導(dǎo)可見，陶瓷二氧化鈾雖有不足之處；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。的一面，目前動力堆廣泛用它作為核燃料。O/UO/U比狀態(tài)圖比狀態(tài)圖UOUO2 2的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu) 202

16、2-3-832為什么在壓水堆內(nèi)不直接用金屬鈾而要用陶瓷為什么在壓水堆內(nèi)不直接用金屬鈾而要用陶瓷UOUO2 2燃料？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

17、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。2022-3-833ADU（鈾酸胺鹽 (NH4)U2O7）流程A U C （ 三 碳 酸 鈾 酰 胺(NH4)4UO2(CO3)3）流程IDR流程UOUO2 2粉末制備粉末制備ADUADU法工藝流程圖法工藝流程圖2022-3-834(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(qiáng)度的坯塊(2) 燒結(jié) 將粉末壓制成的坯塊通過高溫?zé)商沾?影響UO2高溫?zé)Y(jié)的因素有： 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)

18、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。UOUO2 2芯塊制備芯塊制備2022-3-835燃料組件制造燃料組件制造2022-3-836芯塊制造對性能的影響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/UO/U比狀態(tài)圖比狀態(tài)圖2022

19、-3-837UO2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UOUO2 2燃料的輻照特性燃料的輻照特性2022-3-838燃料、包殼的變形燃料、包殼的變形燃料芯塊變形損壞示意圖燃料芯塊變形損壞示意圖燃料包殼的竹節(jié)變形示意圖燃料包殼的竹節(jié)變形示意圖燃料芯塊燃料芯塊包殼包殼2022-3-839UOUO2 2受輻照后的行為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)10