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核燃料(nuclear fuel),可在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料。重核的裂变和轻核的聚变是获得实用铀棒核能的两种主要方式。铀233、铀238和钚239是能发生核裂变的核燃料,又称裂变核燃料。

词条释义

概况

简介
核燃料(nuclear fuel),可在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料。重
铀棒核能

铀棒核能

核的裂变和轻核的聚变是获得实用铀棒核能的两种主要方式。铀235、铀238和钚239是能发生核裂变的核燃料,又称裂变核燃料。其中铀235存在于自然界,而铀233、钚239则是钍232和铀238吸收中子后分别形成的人工核素。从广义上说,钍232和铀238也是核燃料。氘和氚是能发生核聚变的核燃料,又称聚变核燃料。氘存在于自然界,氚是锂6吸收中子后形成的人工核素。核燃料在核反应堆中“燃烧”时产生的能量远大于化石燃料,1千克铀235完全裂变时产生的能量约相当于2500吨煤。
核反应堆原料
已经大量建造的核反应堆使用的是裂变核燃料铀235 和钚239,很少使用铀233。由于至今还未有建成使用聚变核燃料的反应堆,因此通常说到核燃料时指的是裂变核燃料。由于核反应堆运行特性和安全上的要求,核燃料在核反应堆中“燃烧”不允许像化石燃料一样一次烧尽。为了回收和重新利用就必须进行后处理。核燃料后处理是一个复杂的化学分离纯化过程,曾经研究过各种水法过程和干法过程。普雷克斯流程。核燃料后处理过程与一般的水法冶金过程之最大差别是它具有很强的放射性和存在发生核临界的危险。因此,必须将设备置于有厚的重混凝土防护墙的设备室中并实行远距离操作以及采取防止核临界的措施。所产生的各种放射性废物要严加管理和妥善处置以确保环境安全。实行核燃料后处理,可更充分、合理地使用已有的铀资源

类型

简介
包含易裂变核素、在核反应堆内可以实现自持核裂变链式反应的材料。核燃料在反应堆内使用时,应满足以下的要求:①与包壳材料相容,与冷却剂无强烈的化学作用;②具有较高的熔点和热导率;③辐照稳定性好;④制造容易,再处理简单。根据不同的堆型,可以选用不同类型的核燃料:金属(包括合金)燃料,陶瓷燃料,弥散体燃料和流体(液态)燃料等。
核燃料分类表 燃料形式
形态
材料
适用堆型
固体燃料
金属
U
石墨慢化堆
合金
U-Al
快堆
U-Mo
快堆
U-ZrH
脉冲堆
陶瓷
U3Si
重水堆
(U,Pu)O2
快堆
(U,Pu)C
快堆
(U,Pu)N
快堆
UO2
轻水堆、重水堆
弥散体
金属-金属
UAl4-Al
重水堆
陶瓷-金属
UO2-Al
重水堆
陶瓷-陶瓷
(U,Th)O2-(热解石墨, SiC)-石墨
高温气冷堆
液体燃料
水溶液
(UO2)SO4-H2O
沸水堆
悬浊液
U3O8-H2O
水均匀堆
液态金属
U-Bi

熔盐
UF4-LiF-BeF2-ZrF4
熔盐堆
金属燃料
铀是普遍使用的核燃料。天然铀中只含0.7%的U235,其余为U238。天然铀的这个浓度正好能使核反应堆实现自持核裂变链式反应,因而成为最早的核燃料,功率密度,一般要用U含量大于0.7%的浓缩铀。这可以通过气体扩散法或离心法来获得。金属铀在堆内使用的主要缺点为:有同质异晶转变;熔点低;存在尺寸不稳定性;最常见的是核裂变产物使其体积膨胀(称为肿胀);加工时形成的织构使铀棒在辐照时沿轴向伸长(称为辐照生长),虽然不伴随体积变化,但伸长量有时可达原长的4倍。此外,辐照还使金属铀的蠕变速度增加(50~ 100倍)。这些问题通过铀的合金化虽有所改善,但远不如采用UO2陶瓷燃料为佳。
钚(Pu)是人工易裂变材料,临界质量比铀小,在有水的情况下,650克的钚即可发生临界事故。钚的熔点很低(640℃),一般都以氧化物与UO2混合使用。钚与U组合可以实现快中子增殖,因而使钚成为着重研究的核燃料。
钍吸收中子后可以转换为易裂变的U,它在地壳中的储量很丰富,所能提供的能量大约相当于铀、煤和石油全部储量的总和。钍的熔点较高,直至1400℃才发生相变,且相变前后均为各向同性结构,所以辐照稳定性较好,这是它优于铀、钚之处。钍在使用中的主要限制为辐照下蠕变强度很低。一般以氧化物或碳化物的形式使用。在热中子反应堆中利用U-Th循环可得到接近于1的转换比,从而实现“近似增殖”。但这种循环比较复杂,后处理也比较困难,因此尚未获得广泛应用。
陶瓷燃料
包括铀、钚等的氧化物、碳化物和氮化物,其中UO2是最常用的陶瓷燃料。UO2的熔点很高(2865℃),高温稳定性好。辐照时UO2燃料芯块内可保留大量裂变气体,所以燃耗(指燃耗份额,即消耗的易裂变核素的量占初始装载量的百分比值)达10%也无明显的尺寸变化。它与包壳材料锆或不锈钢之间的相容性很好,与水也几乎没有化学反应,因此普遍用于轻水堆中。但是UO2的热导率较低,核燃料的密度低,限制了反应堆参数进一步提高。在这方面,碳化铀(UC)则具有明显的优越性。UC的热导率比UO2高几倍,单位体积内的含铀量也高得多。它的主要缺点是会与水发生反应,一般用于高温气冷堆
弥散体燃料
这种材料是将核燃料弥散地分布在非裂变材料中。在实际应用中,广泛采用由陶瓷燃
图1

图1

料颗粒和金属基体组成的弥散体系。这样可以把陶瓷的高熔点和辐照稳定性与金属的较好的强度、塑性和热导率结合起来。细小的陶瓷燃料颗粒减轻了温差造成的热应力,连续的金属基体又大大减少了裂变产物的外泄。由裂变碎片所引起的辐照损伤基本上集中在燃料颗粒内,而基体主要是处在中子的作用下,所受损伤相对较轻,从而可达到很深的燃耗。这种燃料在研究堆中获得广泛应用。除陶瓷燃料颗粒外,由铀、铝的金属间化合物和铝合金(或铝粉)所组成的体系,效果也较好。在弥散体燃料中由于基体对中子的吸收和对燃料相的稀释,必须使用浓缩铀
包覆颗粒燃料也是一种弥散体系。在高温气冷堆中,采用铀、钍的氧化物或碳化物作为核燃料,并把它弥散在石墨中。由于石墨基体不够致密,因而要在燃料颗粒外面包上耐高温的、坚固而气密性好的多层外壳,以防止裂变产物的外泄和燃料颗粒的膨胀。外壳是由不同密度的热解碳和碳化硅(SiC)组成的,其总厚度应大于反冲原子的自由程,一般在100~300微米之间。整个燃料颗粒的直径为1毫米。使用包覆颗粒燃料不仅可达到很深的燃耗,而且大大提高了反应堆的工作温度,是一种很有前途的核燃料类型。
以上几种类型的核燃料都用于非均匀堆。根据设计要求,可制成带有包壳的、不同形状的燃料元件(见图1)。
流体燃料
核燃料处理厂

核燃料处理厂

在均匀堆中,核燃料悬浮或溶解于水、液态金属或熔盐中,从而成为流体燃料(液态燃料)。流体燃料从根本上消除了因辐照造成的尺寸不稳定性,也不会因温度梯度而产生热应力,可以达到很深的燃耗。同时,核燃料的制备和后处理也都大大简化,并且还提供了连续加料和处理的可能性。流体燃料与冷却剂或慢化剂直接接触,所以对放射性安全提出较严的要求,且腐蚀和质量迁移也往往是一个严重问题。这种核燃料尚处于实验阶段(见锕系金属)。

相关信息

伊外长要求修改核燃料交换方案
伊朗外交部长马努切赫尔·穆塔基2010年2月5日说,伊朗想修改国际原子能机构提出的核燃料交换方案,他对最终达成协议表示乐观。穆塔基当天接受德国《南德意志报》采访时作出上述表态。报纸定于6日刊登出这篇采访文章。
国际原子能机构2009年10月提议,伊朗把国内大部分低浓度浓缩铀一次性运往俄罗斯提纯,然后再由法国把它们加工成伊朗研究用核反应堆所需的核燃料棒。“我们认为,这一过程将让我们进入一种新的信任氛围中,”穆塔基说,“我们已经由我们的总统、以最高级别表明我们同意,那是重要的一点。”他同时警告,伊朗不会接受国际原子能机构提议的时间表。按德新社的说法,国际原子能机构方案中,伊朗运出浓缩铀后,等待多达1年时间才能收到核燃料。穆塔基说,外交氛围已改善,表明能达成一项最终协议。“最重要的一点是存在核燃料交换的政治意愿……双方采取举措建立信任很重要,我们已感觉到那正在发生。”
2011日本核燃料泄漏
发生在日本本州东海岸附近海域的里氏9.0级地震, 震中位于北纬38.1度,东经142.6度,震源深度约20公里。日本气象厅随即发布了海啸警报,称地震将引发约6米高海啸。
日本时事社援引东京电力公司的消息说,日本福岛县第一核电站1号机组15时6分爆炸后释放大量核辐射造成重大二次灾害。日本当局建议核电站附近居民应迅速撤离,不要在撤离过程中吃喝任何东西,尽量不要让皮肤暴露在外。到安全场地后要更换衣物。应该扩大疏散区域,如不能马上疏散,应提醒居民关闭门窗,关闭空调。
日本福岛1号核电站面临的紧急情况15日迅速走向恶化:先是2号反应堆外壳在爆炸中受损,造成含有放射物的冷却水不断流出。紧接着,一直平静的4号反应堆起火,大量放射性物质泄漏。日本首相菅直人当即发布命令,要求距核电站30公里内居民呆在家中避险。
有消息称,日本抢险队员已经从福岛1号核电站2号反应堆所在机房撤走,这表明反应堆厚厚的钢结构外壳可能因15日清晨的爆炸而“破损严重”,甚至到了“无法控制”状态。日本政府发布警告说,福岛1号核电站可能正在泄漏出更多放射性物质,对民众健康构成了严重威胁。
日本政府发言人表示,虽然福岛核电站4号反应堆内没有正在使用的核燃料,但却存放着大量使用过的燃料棒,因此,救援人员正在全力灭火,防止这些同样需要降温的“核废料”继续发生严重泄漏事故。上述最新进展表示,福岛1号核电站的局势可能急转直下,变得无法收拾。
一旦救援人员不能很快返回福岛核电站继续为这四个反应堆“退烧”,堆内核燃料将因温度过高而发生“完全融毁现象”。那样的话,像熔岩一样滚烫的核燃料会突破反应堆15厘米厚的燃料舱钢结构保护体束缚,给日本和周边国家带来无法弥补的核灾难。
此前,因阀门故障,日本救援人员一度无法打开2号反应堆排气口,结果造成堆内压力极高,同时也造成用来冷却反应堆的海水根本无法注入其中。这意味着日本用来冷却反应堆的最后办法失灵,以致大量核燃料暴露在空气中达数小时之久,发生核泄漏可能性极大。
虽然救援人员最终修复了减压阀,但仍无法让海水完全漫过发热的燃料棒,其结果就是2号反应堆内温度继续升高,直到其中发生了猛烈地爆炸。日本政府和福岛核电站仍然坚持表示,当地不会发生类似前苏联切尔诺贝利核电站那样严重的泄露事故。
日本只能继续向四个反应堆内注水降温,同时不断排出带有放射性污染物的蒸汽,并希望当地始终保持西风,不要刮东风和南风,否则日本首都东京和朝鲜半岛都将遭受污染。与此同时,就是等着反应堆自然降温至安全状态,然后彻底将这个核电站封存废弃。在日本核电站周围检测到的放射性物质包括碘131和铯137。其中,碘131一旦被人体吸入,可能会引发甲状腺疾病。日本政府已计划向核电站附近居民发放防止碘131辐射的药物碘片。有关资料显示,铯137则会造成人体造血系统和神经系统损伤。
1986年4月26日当地时间1点24分,
前苏联的乌克兰共和国切尔诺贝利( Чорнобиль,Chernobyl核能发电厂(原本以列宁的名字来命名)4号反应堆发生严重泄漏及爆炸事故,大约有1650平方千米的土地被辐射。后续的爆炸引发了大火并散发出大量高辐射物质到大气层中,涵盖了大面积区域。这次灾难所释放出的辐射线剂量是广岛原子弹的400倍以上。事故导致30人当场死亡,上万人由于放射性物质的长期影响而致命或患的重病,至今仍有被放射影响而导致畸形胎儿的出生。
这是一起严重的核事故。外泄的辐射尘随着大气飘散到前苏联的西部地区、东欧地区、北欧的斯堪地那维亚半岛。乌克兰、白俄罗斯、俄罗斯受污最为严重,由于风向的关系,据估计约有60%的放射性物质落在白俄罗斯的土地。但根据2006年的TORCH(The Other Report On Chernobyl)报告指出,半数的辐射尘都落在上述的三个前苏联国家以外。此事故引起大众对于前苏联的核电厂安全性的关注,事故也间接导致了苏联的瓦解。苏联瓦解后独立的国家包括俄罗斯、白俄罗斯及乌克兰等每年仍然在事故的善后以及居民的健康保健方面投入经费与人力。因事故而直接或间接死亡的人数难以估计,且事故后的长期影响到目前为止仍是个未知数。
2005年一份国际原子能机构的报告认为直到当时有56人丧生,47名核电站工人及9名儿童患上甲状腺癌,并估计大约4000人最终将会因这次意外所带来的疾病而死亡。
对于国际原子能机构的结论,却有着大相径庭的调查结果。在结论和观点相反的调查中,以环境保护组织绿色和平组织的结果最令人震惊。该组织于2006年4月18日发表报告称,切尔诺贝利核事故导致27万人患癌,因此而死亡的人数达9.3万。
与此同时,英国两名研究人员的一项研究表明,切尔诺贝利核事故的长期影响可能导致另外6.6万人死于癌症。也就是说,除了国际原子能机构承认的死亡数外,还有6.6万人死于辐射所致的癌症,仅这个数字就是国际原子能机构所承认的死亡数的15倍还多。
切尔诺贝利核电站(北纬51度23分14秒 东经30度6分41秒)位于乌克兰的普里皮亚季(Припъять,Pripyat),切尔诺贝利市西北11英里(18千米),离乌克兰与白俄罗斯边界10英里(16千米),及乌克兰首都基辅(Киев,Kiev)以北70英里(110千米)。其名字“切尔诺贝利”(Chernobyl)意为“切尔诺伯格(Chernobog,斯拉夫神话中代表黑暗,死亡,疾病的黑之神)的居所”。
核电站由四个反应堆组成,每个能产生1千兆瓦特的电能(3200兆瓦特的热功率),核事故发生时四个反应堆共提供了乌克兰10%的电力。厂房的工程始于20世纪70年代,1号反应堆于1977年启用,接着2号(1978年)、3号(1981年)、4号(1983年)亦相继启用。还有两个反应堆(5号及6号,每个能产生10亿瓦特)在事故时仍在建造中。厂房的四个反应堆都属于同一类型,称为RBMK-1000。

细节一

反应器有一个危险高正面空系数。简单地说,这意味著如果蒸汽气泡形成在反应器冷却剂中,核反应加速,如果没有其它干预,将会导致逃亡反应。更坏的话,在低功率输出,这个其它因素未补偿正面空系数,会使反应器不稳定和危险。反应器在低功率的危险对工作人员是与预计相反和未知数。

细节二

反应器的一个更加重大的缺陷是在控制棒的设计。在一个核反应堆,控制棒被插入反应堆以减慢核反应。但是,在RBMK反应堆设计,控制棒部分是空心的;当控制标尺被插入时,最初的数秒钟冷却剂被控制棒的空心外壳偏移了。因为冷却剂(水)是中子吸收体,反应堆的输出功率实际上上升。这情况也是与预计相反,而反应堆操作员亦不知情。

细节三

操作员粗心大意并违反了规程,部分是由于他们未察觉反应堆的设计缺陷。一些程序的不规则促成了事故发生。另一原因是安全干事和负责该夜实验操作员之间的通讯不足。
重要注意的一点,是操作员关上了许多反应堆的安全系统,除非安全系统发生故障,否则这是技术指南所禁止的。1986年8月出版的政府调查委员会报告,操作员从反应堆核心至少拿去了204支控制棒(这类型的反应堆共需要211支),留下七支。同样指南(上文提及)是禁止RBMK-1000操作时在核心区域使用少于15支控制棒。

重大伤害

切尔诺贝利核电站核泄漏事故被定义为最严重的7级。位于今乌克兰境内的切尔诺贝利核电站4号反应堆发生爆炸,8吨多强辐射物泄漏。
事故共造成31名消防人员死亡,数千人受到强核辐射,数万人撤离。保守估计苏联共花费了180亿美元,以及50万军民处理此事件,但是现在看来事故对环境的负面影响无法估量!

白血病

在维拉队长斯蒂利安·彼得罗夫于因患急性白血病而宣布挂靴之后,他在保加利亚国家队的队医在昨日向《太阳报》爆出猛料,称导致彼得罗夫患病的真正原因竟是切尔诺贝利核事故!
1986年4月26日,位于乌克兰的切尔诺贝利核电站发生爆炸,大量高辐射物质抛出并被风吹散,位于乌克兰周边的国家全部都受到了严重影响。而保加利亚首都索菲亚距离切尔诺贝利只有1046公里,因此该国成为受污染最严重的国家之一。彼得罗夫出生在保加利亚北部的蒙塔纳地区,在切尔诺贝利事故发生时,他年仅6岁。“当时他家所处地区的核辐射指数,已经超过正常值的1000到1300倍。”已经担任保加利亚国家队队医长达20年之久的米哈伊尔·伊利耶夫医生在日前接受《太阳报》采访时表示,彼得罗夫很可能是受到了高强度辐射或是食用了被污染的食物,导致其患上急性白血病。
至于为何会判断彼得罗夫是受切尔诺贝利核爆炸的影响,伊利耶夫医生进一步解释道:“斯蒂利安的家族没有白血病病史,所以我认为他是那次核事故的又一个牺牲者。时任保加利亚政府应该对此负责。无论是切尔诺贝利发生爆炸,还是污染云飘散到保加利亚,政府都没有通知我们。”

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基本信息

书名:核燃料 [平装]
本书图征

本书图征

丛 书: 核材料科学与工程
作 者:李冠兴,武胜
书 号: 9787122001047
出 版 社:化学工业出版社
出版日期: 2007-7-1
定 价: 82.0 元

内容简介

核燃料是核能之源,是核工业的基础和核心。核燃料包括“裂变核燃料”和“聚变核燃料”两大类。
本书系统地介绍了核燃料和核燃料循环的基本知识,核燃料的物理和化学性能,核燃料的各种形态,核燃料的工艺特性和工艺过程。本书可作为从事核燃料工作的专业技术人员及相关专业大学师生的参考书,也可作为新参加工作人员的培训教材。

本书目录

第1章 概述
1.1 核燃料分类
1.1.1 裂变核燃料
1.1.2 聚变核燃料
1.1.3 可转换核素·增殖材料·再生燃料
1.2 核燃料资源
1.2.1 铀
1.2.2 钚
1.2.3 钍
1.2.4 氘
1.2.5 氚和锂
1.3 裂变核燃料的临界质量和临界体积
1.4 核燃料的人堆形式
1.4.1 裂变核燃料的人堆形式与核燃料元件
1.4.2 聚变核燃料的人堆方式和燃料单元
1.5 裂变核燃料的富集度·浓缩铀
1.6 裂变核燃料材料的类型和化学成分
1.6.1 金属型燃料
1.6.2 弥散型燃料
1.6.3 陶瓷型燃料
1.7 核燃料的增殖
1.7.1 裂变核燃料的增殖
1.7.2 聚变核燃料氚的增殖
1.8 核燃料循环
1.8.1 裂变核燃料循环
1.8.2 聚变核燃料循环
1.9 核燃料的危害与安全操作
1.9.1 铀、钚、钍的化学毒性及防护
1.9.2 核燃料的辐射危害与防护
1.9.3 裂变核燃料的临界安全
1.9.4 火灾预防
参考文献
第2章 铀
第3章 钚及钚——镓合金
第4章 钍及钍合金
第5章 弥散燃料
第6章 陶瓷核燃料
第7章 氘氚和氘氚化锂
第8章 包覆颗粒燃料
……
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