核燃料

核燃料

核燃料(nuclear fuel),可在核反應堆中通過核裂變或核聚變產生實用核能的材料。重核的裂變和輕核的聚變是獲得實用鈾棒核能的兩種主要方式。鈾233、鈾235 鈾238,和鈈239是能發生核裂變的核燃料,又稱裂變核燃料。

  • 中文名稱
    核燃料
  • 作者
    李冠興武勝
  • 出版社
    化學工業出版社
  • 出版日期
    2007-7-1

概況

簡介

核燃料(nuclear fuel),可在核反應堆中通過核裂變或核聚變產生實用核能的材料。重核的裂變和輕核的聚變是獲得實用鈾棒核能的兩種主要方式。鈾235、鈾238和鈈239是能發生核裂變的核燃料,又稱裂變核燃料。其中鈾235存在于自然界,而鈾233、鈈239則是釷232和鈾238吸收中子後分別形成的人工核素。從廣義上說,釷232和鈾238也是核燃料。氘和氚是能發生核聚變的核燃料,又稱聚變核燃料。氘存在于自然界,氚是鋰6吸收中子後形成的人工核素。核燃料在核反應堆中"燃燒"時產生的能量遠大于化石燃料,1千克鈾235完全裂變時產生的能量約相當于2500噸煤。

鈾棒核能鈾棒核能

核反應堆原料

已經大量建造的核反應堆使用的是裂變核燃料鈾235和鈈239,很少使用鈾233。由于至今還未有建成使用聚變核燃料的反應堆,因此通常說到核燃料時指的是裂變核燃料。由于核反應堆運行特徵和安全上的要求,核燃料在核反應堆中"燃燒"不允許像化石燃料一樣一次燒盡。為了回收和重新利用就必須進行後處理。核燃料後處理是一個復雜的化學分離純化過程,曾經研究過各種水法過程和幹法過程。普雷克斯流程。核燃料後處理過程與一般的水法冶金過程之最大差別是它具有很強的放射性和存在發生核臨界的危險。因此,必須將設備置于有厚的重混凝土防護牆的設備室中並實行遠距離操作以及採取防止核臨界的措施。所產生的各種放射性廢物要嚴加管理和妥善處置以確保環境安全。實行核燃料後處理,可更充分、合理地使用已有的鈾資源

類型

簡介

包含易裂變核素、在核反應堆內可以實現自持核裂變鏈式反應的材料。核燃料在反應堆內使用時,應滿足以下的要求:

①與包殼材料相容,與冷卻劑無強烈的化學作用;

②具有較高的熔點和熱導率;

③輻照穩定性好;

④製造容易,再處理簡單。根據不同的堆型,可以選用不同類型的核燃料:金屬(包括合金)燃料,陶瓷燃料,彌散體燃料和流體(液態)燃料等。

核燃料分類表 燃料形式

形態

材料

適用堆型

固體燃料

金屬

U

石墨慢化堆

合金

U-Al

快堆

U-Mo

快堆

U-ZrH

脈沖堆

陶瓷

U3Si

重水堆

(U,Pu)O2

快堆

(U,Pu)C

快堆

(U,Pu)N

快堆

UO2

輕水堆、重水堆

彌散體

金屬-金屬

UAl4-Al

重水堆

陶瓷-金屬

UO2-Al

重水堆

陶瓷-陶瓷

(U,Th)O2-(熱解石墨, SiC)-石墨

高溫氣冷堆

液體燃料

水溶液

(UO2)SO4-H2O

沸水堆

懸濁液

U3O8-H2O

水均勻堆

液態金屬

U-Bi


熔鹽

UF4-LiF-BeF2-ZrF4

熔鹽堆

金屬燃料

鈾是普遍使用的核燃料。天然鈾中隻含0.7%的U235,其餘為U238。天然鈾的這個濃度正好能使核反應堆實現自持核裂變鏈式反應,因而成為最早的核燃料,功率密度,一般要用U含量大于0.7%的濃縮鈾。這可以通過氣體擴散法或離心法來獲得。

金屬鈾在堆內使用的主要缺點為:有同質異晶轉變;熔點低;存在尺寸不穩定性;最常見的是核裂變產物使其體積膨脹(稱為腫脹);加工時形成的織構使鈾棒在輻照時沿軸向伸長(稱為輻照生長),雖然不伴隨體積變化,但伸長量有時可達原長的4倍。此外,輻照還使金屬鈾的蠕變速度增加(50~ 100倍)。這些問題通過鈾的合金化雖有所改善,但遠不如採用UO2陶瓷燃料為佳。

鈈(Pu)是人工易裂變材料,臨界質量比鈾小,在有水的情況下,650克的鈈即可發生臨界事故。鈈的熔點很低(640℃),一般都以氧化物與UO2混合使用。鈈與U組合可以實現快中子增殖,因而使鈈成為著重研究的核燃料。

釷吸收中子後可以轉換為易裂變的U,它在地殼中的儲量很豐富,所能提供的能量大約相當于鈾、煤和石油全部儲量的總和。釷的熔點較高,直至1400℃才發生相變,且相變前後均為各向同性結構,所以輻照穩定性較好,這是它優于鈾、鈈之處。釷在使用中的主要限製為輻照下蠕變強度很低。一般以氧化物或碳化物的形式使用。在熱中子反應堆中利用U-Th迴圈可得到接近于1的轉換比,從而實現"近似增殖"。但這種迴圈比較復雜,後處理也比較困難,因此尚未獲得廣泛套用。

陶瓷燃料

包括鈾、鈈等的氧化物、碳化物和氮化物,其中UO2是最常用的陶瓷燃料。UO2的熔點很高(2865℃),高溫穩定性好。輻照時UO2燃料芯塊內可保留大量裂變氣體,所以燃耗(指燃耗份額,即消耗的易裂變核素的量佔初始裝載量的百分比值)達10%也無明顯的尺寸變化。它與包殼材料鋯或不銹鋼之間的相容性很好,與水也幾乎沒有化學反應,因此普遍用于輕水堆中。但是UO2的熱導率較低,核燃料的密度低,限製了反應堆參數進一步提高。在這方面,碳化鈾(UC)則具有明顯的優越性。UC的熱導率比UO2高幾倍,單位體積內的含鈾量也高得多。它的主要缺點是會與水發生反應,一般用于高溫氣冷堆

彌散體燃料

這種材料是將核燃料彌散地分布在非裂變材料中。在實際套用中,廣泛採用由陶瓷燃料顆粒和金屬基體組成的彌散體系。這樣可以把陶瓷的高熔點和輻照穩定性與金屬的較好的強度、塑性和熱導率結合起來。細小的陶瓷燃料顆粒減輕了溫差造成的熱應力,連續的金屬基體又大大減少了裂變產物的外泄。由裂變碎片所引起的輻照損傷基本上集中在燃料顆粒內,而基體主要是處在中子的作用下,所受損傷相對較輕,從而可達到很深的燃耗。這種燃料在研究堆中獲得廣泛套用。除陶瓷燃料顆粒外,由鈾、鋁的金屬間化合物和鋁合金(或鋁粉)所組成的體系,效果也較好。在彌散體燃料中由于基體對中子的吸收和對燃料相的稀釋,必須使用濃縮鈾

圖1圖1

包覆顆粒燃料也是一種彌散體系。在高溫氣冷堆中,採用鈾、釷的氧化物或碳化物作為核燃料,並把它彌散在石墨中。由于石墨基體不夠致密,因而要在燃料顆粒外面包上耐高溫的、堅固而氣密性好的多層外殼,以防止裂變產物的外泄和燃料顆粒的膨脹。外殼是由不同密度的熱解碳和碳化矽(SiC)組成的,其總厚度應大于反沖原子的自由程,一般在100~300微米之間。整個燃料顆粒的直徑為1毫米。使用包覆顆粒燃料不僅可達到很深的燃耗,而且大大提高了反應堆的工作溫度,是一種很有前途的核燃料類型。

以上幾種類型的核燃料都用于非均勻堆。根據設計要求,可製成帶有包殼的、不同形狀的燃料元件(見圖1)。

流體燃料

在均勻堆中,核燃料懸浮或溶解于水、液態金屬或熔鹽中,從而成為流體燃料(液態燃料)。流體燃料從根本上消除了因輻照造成的尺寸不穩定性,也不會因溫度梯度而產生熱應力,可以達到很深的燃耗。同時,核燃料的製備和後處理也都大大簡化,並且還提供了連續加料和處理的可能性。流體燃料與冷卻劑或慢化劑直接接觸,所以對放射性安全提出較嚴的要求,且腐蝕和質量遷移也往往是一個嚴重問題。這種核燃料尚處于實驗階段(見錒系金屬)。

相關信息

伊外長要求修改核燃料交換方案

2010年2月5日,伊朗外交部長馬努切赫爾·穆塔基說,伊朗想修改國際原子能機構提出的核燃料交換方案,他對最終達成協定表示樂觀。穆塔基當天接受德國《南德意志報》採訪時作出上述表態。報紙定于6日刊登出這篇採訪文章。

2009年10月,國際原子能機構提議,伊朗把國內大部分低濃度濃縮鈾一次性運往俄羅斯提純,然後再由法國把它們加工成伊朗研究用核反應堆所需的核燃料棒。"我們認為,這一過程將讓我們進入一種新的信任氛圍中,"穆塔基說,"我們已經由我們的總統、以最高級別表明我們同意,那是重要的一點。"他同時警告,伊朗不會接受國際原子能機構提議的時間表。按德新社的說法,國際原子能機構方案中,伊朗運出濃縮鈾後,等待多達1年時間才能收到核燃料。穆塔基說,外交氛圍已改善,表明能達成一項最終協定。"最重要的一點是存在核燃料交換的政治意願……雙方採取舉措建立信任很重要,我們已感覺到那正在發生。"

2011日本核燃料泄漏

2011年3月13日,發生在日本本州東海岸附近海域的裏氏9.0級地震,震中位于北緯38.1度,東經142.6度,震源深度約20公裏。日本氣象廳隨即發布了海嘯警報,稱地震將引發約6米高海嘯。日本時事社援引東京電力公司的訊息說,日本福島縣第一核電站1號機組15時6分爆炸後釋放大量核輻射造成重大二次災害。日本當局建議核電站附近居民應迅速撤離,不要在撤離過程中吃喝任何東西,盡量不要讓皮膚暴露在外。到安全場地後要更換衣物。應該擴大疏散區域,如不能馬上疏散,應提醒居民關閉門窗,關閉空調。

2011年3月15日,日本福島1號核電站面臨的緊急情況迅速走向惡化:先是2號反應堆外殼在爆炸中受損,造成含有放射物的冷卻水不斷流出。緊接著,一直平靜的4號反應堆起火,大量放射性物質泄漏。日本首相菅直人當即發布命令,要求距核電站30公裏內居民呆在家中避險。

有訊息稱,日本搶險隊員已經從福島1號核電站2號反應堆所在機房撤走,這表明反應堆厚厚的鋼結構外殼可能因15日清晨的爆炸而"破損嚴重",甚至到了"無法控製"狀態。日本政府發布警告說,福島1號核電站可能正在泄漏出更多放射性物質,對民眾健康構成了嚴重威脅。

日本政府發言人表示,雖然福島核電站4號反應堆內沒有正在使用的核燃料,但卻存放著大量使用過的燃料棒,因此,救援人員正在全力滅火,防止這些同樣需要降溫的"核廢料"繼續發生嚴重泄漏事故。上述最新進展表示,福島1號核電站的局勢可能急轉直下,變得無法收拾。

一旦救援人員不能很快返回福島核電站繼續為這四個反應堆"退燒",堆核心燃料將因溫度過高而發生"完全融毀現象"。那樣的話,像熔岩一樣滾燙的核燃料會突破反應堆15釐米厚的燃料艙鋼結構保護體束縛,給日本和周邊國家帶來無法彌補的核災難。

此前,因閥門故障,日本救援人員一度無法開啟2號反應堆排氣口,結果造成堆內壓力極高,同時也造成用來冷卻反應堆的海水根本無法註入其中。這意味著日本用來冷卻反應堆的最後辦法失靈,以致大量核燃料暴露在空氣中達數小時之久,發生核泄漏可能性極大。

雖然救援人員最終修復了減壓閥,但仍無法讓海水完全漫過發熱的燃料棒,其結果就是2號反應堆內溫度繼續升高,直到其中發生了猛烈地爆炸。日本政府和福島核電站仍然堅持表示,當地不會發生類似前蘇聯切爾諾貝利核電站那樣嚴重的泄露事故。

日本隻能繼續向四個反應堆內註水降溫,同時不斷排出帶有放射性污染物的蒸汽,並希望當地始終保持西風,不要刮東風和南風,否則日本首都東京和朝鮮半島都將遭受污染。與此同時,就是等著反應堆自然降溫至安全狀態,然後徹底將這個核電站封存廢棄。在日本核電站周圍檢測到的放射性物質包括碘131和銫137。其中,碘131一旦被人體吸入,可能會引發甲狀腺疾病。日本政府已計畫向核電站附近居民發放防止碘131輻射的葯物碘片。有關資料顯示,銫137則會造成人體造血系統和神經系統損傷。

1986年4月26日當地時間1點24分,前蘇聯的烏克蘭共和國切爾諾貝利(Чорнобиль,Chernobyl)核能發電廠(原本以列寧的名字來命名)4號反應堆發生嚴重泄漏及爆炸事故,大約有1650平方千米的土地被輻射。後續的爆炸引發了大火並散發出大量高輻射物質到大氣層中,涵蓋了大面積區域。這次災難所釋放出的輻射線劑量是廣島核子彈的400倍以上。事故導致30人當場死亡,上萬人由于放射性物質的長期影響而致命或患的重病,至今仍有被放射影響而導致畸形胎兒的出生。

這是一起嚴重的核事故。外泄的輻射塵隨著大氣飄散到前蘇聯的西部地區、東歐地區、北歐的斯堪地那維亞半島。烏克蘭、白俄羅斯、俄羅斯受污最為嚴重,由于風向的關系,據估計約有60%的放射性物質落在白俄羅斯的土地。但根據2006年的TORCH(The Other Report On Chernobyl)報告指出,半數的輻射塵都落在上述的三個前蘇聯國家以外。此事故引起大眾對于前蘇聯的核電廠安全性的關註,事故也間接導致了蘇聯的瓦解。蘇聯瓦解後獨立的國家包括俄羅斯、白俄羅斯及烏克蘭等每年仍然在事故的善後以及居民的健康保健方面投入經費與人力。因事故而直接或間接死亡的人數難以估計,且事故後的長期影響到目前為止仍是個未知數。

2005年一份國際原子能機構的報告認為直到當時有56人喪生,47名核電站工人及9名兒童患上甲狀腺癌,並估計大約4000人最終將會因這次意外所帶來的疾病而死亡。

對于國際原子能機構的結論,卻有著大相徑庭的調查結果。在結論和觀點相反的調查中,以環境保護組織綠色和平組織的結果最令人震驚。該組織于2006年4月18日發表報告稱,切爾諾貝利核事故導致27萬人患癌,因此而死亡的人數達9.3萬。

與此同時,英國兩名研究人員的一項研究表明,切爾諾貝利核事故的長期影響可能導致另外6.6萬人死于癌症。也就是說,除了國際原子能機構承認的死亡數外,還有6.6萬人死于輻射所致的癌症,僅這個數位就是國際原子能機構所承認的死亡數的15倍還多。

切爾諾貝利核電站(北緯51度23分14秒 東經30度6分41秒)位于烏克蘭的普裏皮亞季(Припъять,Pripyat),切爾諾貝利市西北11英裏(18千米),離烏克蘭與白俄羅斯邊界10英裏(16千米),及烏克蘭首都基輔(Киев,Kiev)以北70英裏(110千米)。其名字"切爾諾貝利"(Chernobyl)意為"切爾諾伯格(Chernobog,斯拉夫神話中代表黑暗,死亡,疾病的黑之神)的居所"。

核電站由四個反應堆組成,每個能產生1千兆瓦特的電能(3200兆瓦特的熱功率),核事故發生時四個反應堆共提供了烏克蘭10%的電力。廠房的工程始于20世紀70年代,1號反應堆于1977年啓用,接著2號(1978年)、3號(1981年)、4號(1983年)亦相繼啓用。還有兩個反應堆(5號及6號,每個能產生10億瓦特)在事故時仍在建造中。廠房的四個反應堆都屬于同一類型,稱為RBMK-1000。

細節一

反應器有一個危險高正面空系數。簡單地說,這意味著如果蒸汽氣泡形成在反應器冷卻劑中,核反應加速,如果沒有其它幹預,將會導致逃亡反應。更壞的話,在低功率輸出,這個其它因素未補償正面空系數,會使反應器不穩定和危險。反應器在低功率的危險對工作人員是與預計相反和未知數。

細節二

反應器的一個更加重大的缺陷是在控製棒的設計。在一個核反應堆,控製棒被插入反應堆以減慢核反應。但是,在RBMK反應堆設計,控製棒部分是空心的;當控製尺規被插入時,最初的數秒鍾冷卻劑被控製棒的空心外殼偏移了。因為冷卻劑(水)是中子吸收體,反應堆的輸出功率實際上上升。這情況也是與預計相反,而反應堆操作員亦不知情。

細節三

操作員粗心大意並違反了規程,部分是由于他們未察覺反應堆的設計缺陷。一些程式的不規則促成了事故發生。另一原因是安全幹事和負責該夜實驗操作員之間的通訊不足。

重要註意的一點,是操作員關上了許多反應堆的安全系統,除非安全系統發生故障,否則這是技術指南所禁止的。1986年8月出版的政府調查委員會報告,操作員從反應堆核心至少拿去了204支控製棒(這類型的反應堆共需要211支),留下七支。同樣指南(上文提及)是禁止RBMK-1000操作時在核心區域使用少于15支控製棒。

重大傷害

切爾諾貝利核電站核泄漏事故被定義為最嚴重的7級。位于今烏克蘭境內的切爾諾貝利核電站4號反應堆發生爆炸,8噸多強輻射物泄漏。

事故共造成31名消防人員死亡,數千人受到強核輻射,數萬人撤離。保守估計蘇聯共花費了180億美元,以及50萬軍民處理此事件,但是現在看來事故對環境的負面影響無法估量!

白血病

在維拉隊長斯蒂利安·彼得羅夫于因患急性白血病而宣布掛靴之後,他在保加利亞國家隊的隊醫在昨日向《太陽報》爆出猛料,稱導致彼得羅夫患病的真正原因竟是切爾諾貝利核事故!

1986年4月26日,位于烏克蘭的切爾諾貝利核電站發生爆炸,大量高輻射物質拋出並被風吹散,位于烏克蘭周邊的國家全部都受到了嚴重影響。而保加利亞首都索菲亞距離切爾諾貝利隻有1046公裏,因此該國成為受污染最嚴重的國家之一。彼得羅夫出生在保加利亞北部的蒙塔納地區,在切爾諾貝利事故發生時,他年僅6歲。"當時他家所處地區的核輻射指數,已經超過正常值的1000到1300倍。"已經擔任保加利亞國家隊隊醫長達20年之久的米哈伊爾·伊利耶夫醫生在日前接受《太陽報》採訪時表示,彼得羅夫很可能是受到了高強度輻射或是食用了被污染的食物,導致其患上急性白血病。

至于為何會判斷彼得羅夫是受切爾諾貝利核爆炸的影響,伊利耶夫醫生進一步解釋道:"斯蒂利安的家族沒有白血病病史,所以我認為他是那次核事故的又一個犧牲者。時任保加利亞政府應該對此負責。無論是切爾諾貝利發生爆炸,還是污染雲飄散到保加利亞,政府都沒有通知我們。"

相關詞條

相關搜尋