FDS团队
关闭
 
English

 
 
 
 
暂无信息发布!
中国科学院
合肥研究院
中国科大
等离子体所
中科大核学院
ITER国际
 
 科 普 园 地 信 息 详 细 内 容
 

     “核”去“核”从

         文/吴国伟(设计部)

“核电站”、“核泄漏”、“核辐射”……这个令人心惊胆战的“核”到底从何而来?又将去往何处?是来祸害苍生?还是救民于水火?

  图1 美丽的大亚湾核电站  

2福岛事故后放射性污染物的扩散

前言

1942122日,在芝加哥大学斯塔格橄榄球场看台下,世界上第一个核反应堆临界了,从此,拉开了人类利用核能的历史。但是,核能第一次吸引全球的目光是在194586日,一个叫小男孩的原子弹照亮了广岛的天空,同时也震惊了全世界。核能再一次以更加响亮的声音宣布他的到来。核能来了,这次真的来了,气势汹汹的来了。但通过几代科学家的努力,他渐渐收敛了凶残的一面,核电站的安全运行,点燃了人们对无限能源的憧憬。

核蕴含着无限的能量,一座100万千瓦的火电厂,每年要燃烧250万吨煤炭,需要两万节火车厢运输,同时会释放1000万吨CO220万吨SO2;而同样容量的核电站一年只用30吨燃料,一辆卡车就可以轻松搞定,并且几乎不排放温室气体。现有的铀资源可以使用上百年,如果算上嬗变堆(设计建造中),现有的铀资源可以供人类使用上千年,再也不用担心煤等化学资源短缺的问题。

上千年?或许你还会觉得时间很短,万一几千年之后铀资源用完了,人类该怎么办呢? 科学家们早就为你准备好了答案:核聚变。核聚变的燃料是氢的同位素氘和氚,氘是一种可再生资源,可以从海水中直接提取,一升海水中提取的氘完全反应后释放的能量相当于300升汽油释放的能量。地球约70%的表面都是水覆盖着,因此,可以说氘是无限的。自然界中氚的含量极其少,但我们可以通过锂来制得。锂的储量是相当可观的,从我们日常生活中锂电池的使用率就可以看出来了。核聚变的原理和太阳是一模一样的,只要太阳还在,我们的聚变就不会缺少原料。因此,核能是人类能源的终极解决方案。令人值得兴奋的是,中国合肥科学岛上的人造小太阳在世界上已经处于领先地位,引领人类的核聚变事业大步前进。

第一篇:核电站的能量是如何产生的?

“首先,你得知道什么是原子核?什么是同位素?当然,还有伟大的科学家爱因斯坦的质能方程……”

1.原子的组成

原子是由质子、中子和电子组成的。世界上一切物质都是由原子构成的,任何原子都是由带正电的原子核和绕原子核旋转的带负电的电子构成的。一个铀-235原子有92个电子,其原子核由92个质子和143个中子组成。50万个原子排列起来相当一根头发的直径。如果把原子比作一个巨大的宫殿,其原子核的大小只是一颗黄豆,而电子相当于一根大头针的针尖。

2. 原子核的结构

原子核一般是由质子和中子构成的,最简单的氢原子核只有一个质子,原子核中的质子数(即原子序数)决定了这个原子属于何种元素,质子数和中子数之和称为该原子的质量数。

3. 同位素

质子数相同而中子数不同的一些原子,或者说原子序数相同而原子质量数不同的一些原子,它们在化学元素周期表上占据同一个位置,彼此间称为同位素。所以,同位素一词用来确指某个元素的各种原子,它们具有相同的化学性质。 同位素按其质量不同通常分为重同位素(如铀-238、铀-235、铀-234和铀-233)和轻同位素(如氢的同位素有氘、氚)。

4. 核能

1905年,爱因斯坦提出质能方程ΔE=Δmc2揭示了质量和能量的联系,揭示了获取能量的新途径。之后,科学家发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂,同时放出2—3个中子和大量的能量,放出的能量比化学反应中释放出的能量大得多,这就是核裂变能,也就是我们所说的核能。

如果一个新产生的中子再去轰击另一个铀-235原子核,便引起新的裂变,以此类推,这样就使裂变反应不断地持续下去,这就是裂变链式反应,在链式反应中,核能就连续不断地释放出来。

原子弹就是利用原子核裂变放出的能量起杀伤破坏作用,而核电反应堆也是利用这一原理获取能量,所不同的是,它是可以控制的。

原子弹的链式反应,中子越来越多,瞬间放出巨大的能量(不可控)

核电站的链式反应,产生的中子中只有一个参与链式反应,持续释放能量(可控)

5.铀的特性及其能量的释放

铀是自然界中原子序数最大的元素,天然铀由几种同位素构成:除了0.71%的铀-235235是质量数)、微量铀-234外,其余都是铀-238。铀-235原子核完全裂变放出的能量是相同质量的煤完全燃烧放出能量的2700000倍。也就是说1U-235完全裂变释放的能量相当于2吨半优质煤完全燃烧时所释放的能量。

第二篇:作为核燃料的“铀”来自哪里?去往何处?

“他从大山中走来,常常兴奋得不能自已(由于放射性),而饱受世人的冷眼旁观,然而,他不在乎,依然默默地燃烧自己,照亮他人,纵然粉身碎骨,在所不辞……”

1.铀矿开采

铀矿是矿石家族中的“玫瑰花,色彩绚丽,却具放射性 。铀矿开采是生产铀的第一步。它的任务是把工业品位的铀矿厂从地下矿床中开采出来,或将铀经化学溶浸,生产出液体铀化合物。铀矿的开采与其它金属矿的开采基本相同,但是由于铀矿有放射性,能放出放射性气体(氡气),品位较低,矿体分散(单个矿体的体积小)和形态复杂,所以铀矿开采又有一些特殊的地方。

铀矿开采方法主要有露天开采、地下开采和原地浸出采铀三种方法。 露天开采是按一定程序先剥离表土和覆盖岩石,使矿石出露,然后进行采矿,这种方法一般用于埋藏较浅的矿体。

地下开采是通过掘进联系地表与矿体的一系列井巷,从矿体中采出矿石,地下开采的工艺过程比较复杂。一般在矿床离地表较深的条件下采用这种方法。

原地浸出采铀是通过地表钻孔将化学反应剂注入矿带,通过化学反应选择性地溶解矿石中的有用成分--铀,并将浸出液提取出地表,而不使矿石绕围岩产生位移。这种采铀方法与常规采矿相比,生产成本低,劳动强度小,但其应用有一定的局限性,只适用于具有一定地质、水文地质条件的矿床。

2.铀提取工艺

铀提取工艺的基本任务是将开采出来的矿厂加工富集成含铀是较高的中间产品,通常称为铀化学浓缩物,经过进一步强化,加工成铀氧化物作为下一步工序的原料。

常规的铀提取工艺一段包括,矿石品位、磨矿、矿石浸出,母液分离、溶液纯化、沉淀等工序。矿厂开采出来后,经过破碎磨细,使铀矿物充分暴露,以便于浸出,然后在一定的工艺条件下,借助一些化学试剂(即浸出剂)与其它手段将矿厂中有价值的组分选择性地溶解出来。有两种浸出方法,即酸法和碱法。

浸出液中,不仅铀含量低,而且杂质种类多,含量高,必须将这些杂质去除才能达到核电要求。这一步溶液纯化过程,有两种方法可供选择,离子交换法(又称吸附法)和溶剂萃取法。沉淀出铀化学浓缩物的工艺过程是水冶生产的最后一道工序。沉淀物经洗涤、压滤、干燥后即得到水冶产品铀化学浓缩物,又称黄饼。

“水冶厂出来的铀矿粉,因为矿石成分不同,采取的工艺也有差别,黄饼是通行的称呼。现货价格大概是40美刀每磅,但重铀酸铵或者三碳酸铀酰铵(钠)等也是常见产品;其中杂质也和矿石、工艺有关,除杂比较好的可以称为核能纯产品。这个就是黄饼,比较干燥,131潮湿一些,类似鸡蛋黄。”

         “这个是装黄饼的桶,可以看出工作人员没有什么特别防护。”

3.浓缩铀生产技术

以同位素分离为目的,提高铀-235浓度的处理即为浓缩。通过浓缩获得满足某些反应堆所要求的铀-235丰度的铀燃料。现代工业上采用的浓缩方法是气体扩散法和离心分离法。浓缩处理是以六氟化铀形式进行的。此外,还有激光法、喷嘴法、电磁分离法、化学分离法等。对铀同位素进行分离,使铀-235富集。分离后余下的尾料,即含铀-2350.3%的贫化铀可作为贫铀弹的材料等。

4. 反应堆用的燃料元件

经过提纯或同位素分离后的铀,还不能直接用作核燃料,还要经过化学,物理、机械加工等复杂而又严格的过程,制成形状和品质各异的元件,才能供各种反应堆作为燃料来使用。这是保证反应堆安全运行的一个关键环节。按组分特征,可分为金属型、陶瓷型和弥散型三种;按几何形状分,有柱状、棒状、环状、板状、条状、球状、棱柱状元件;按反应堆分,有试验堆元件,生产堆元件,动力堆元件(包括核电站用的核燃料组件)。

核燃料元件种类繁多,一般都由芯体和包壳组成。

核燃料元件在核反应堆中的工作状况十分恶劣,长期处于强辐射、高温、高流速甚至高压的环境中,因此,芯体要有优良的综合性能。对包壳材料还要求有较小的热中子吸收截面(快堆除外),在使用寿期内,不能破损。因此,核燃料元件制造是一种高科技含量的技术。

5.乏燃料的后处理

 辐照过的燃料元件从堆内卸出时,无论是否达到设计的燃耗深度,总是含有一定量裂变燃料(包括未分裂和新生的)。回收这些宝贵的裂变燃料(铀-235,铀-233和钚)以便再制造成新的燃料元件或用做核武器装料,是后处理的主要目的。此外,所产生的超铀元素以及可用作射线源的某些放射性裂变产物(如铯-137,锶-90等)的提取,也有很大的科学和经济价值。

乏燃料后处理具有放射性强,毒性大,有发生临界事故的危险等特点,因而必须采取严格的安全防护措施。

后处理工艺可分下列几个步骤:

1)冷却与首端处理:冷却将乏燃料组件解体,脱除元件包壳,溶解燃料芯块等。

2)化学分离:即净化与去污过程,将裂变产物从U-Pu中清除出去,然后用溶剂淬取法将铀-钚分离并分别以硝酸铀酰和硝酸钚溶液形式提取出来。

3)通过化学转化还原出铀和钚。

4)通过净化分别制成金属铀(或二氧化铀)及钚(或二氧化钚)

6. 放射性废物处理与处置

在核工业生产和核科学研究过程中,会产生一些具有不同程度放射性的固态、液态和气态的废物,简称为三废。在放射性废物中,放射性物质的含量很低,但带来的危害较大。由于放射性不受外界条件(如物理、化学、生物方法)的影响,在放射性废物处理过程中,除了靠放射性物质的衰变使其放射性衰减外,无非是将放射性物质从废物中分离出来,使浓集放射性物质的废物体积尽量减小,并改变其存在的状态,以达安全处置的目的。对三废区别不同情况,采取多级净化、去污、压缩减容、焚烧、固化等措施处理、处置。这个过程称为三废处理与处置。例如,对放射性废液,根据其放射性水平区分为低、中、高放废液,可采用净化处理、水泥固化或沥青固化、玻璃固化。固化后存放到专用处置场或放入深地层处置库内处置,使其与生物圈隔离。

 
 日期:【2014-01-03】
 
 

电话/传真:(0551)65593681 电邮:contact@fds.org.cn

 

联系管理员

 
FDS微信 INEST网站