核燃料 含有易裂变核素或可聚变核素(见核素)﹐在反应堆中可以发生自持的核反应﹐并连续释放能量的材料。核燃料释放的能量称为核能。产生核能的核反应有两种形式﹕重核分裂成两个中等质量核的核裂变过程和两个轻核聚合成一个较重核的核聚变过程。发生核裂变而提供能量的核素(如铀235﹑钸239和铀 233)称为裂变核燃料(见铀﹑钸)﹐因发生核聚变而提供能量的核素(如氘和氚)称为聚变核燃料。
聚变核燃料又称热核燃料。 核燃料提供的能量远比化学燃料提供的能量大﹐1千克铀235完全裂变所释放的能量约为2×10 千卡﹐相当于2500吨煤完全燃烧所释放的能量。1 千克氘聚变所释放的能量比1千克铀 235约大3倍。核燃料蕴藏有如此巨大的能量﹐所以自20世纪40年代以来﹐越来越受到人们的重视。
裂变核燃料 铀235﹑钸239和铀 233是三种有工业价值的裂变核燃料(通称核燃料)。铀 235是天然存在的核素﹐所以被称为原始核燃料。它在天然铀中的丰度为 0。720％﹐在地壳中总含量约7000亿吨﹐具有 放射性﹐半衰期7。038×10 年。
由于它的放射性比活度低﹐易于操作加工﹐又能从天然铀获得﹐所以工业上实用的核动力堆都采用它(以天然铀或含铀235约3％的低浓缩铀的形式)作核燃料。钸239必须用铀238作原料﹐在反应堆中经中子轰击发生 U(n﹐γ)239U俘获反应后﹐经衰变才能制得。
其生成方式为﹕ 钸239具有 放射性﹐半衰期2。411×10 年。与钸 239相似﹐铀233必须用钍232作原料﹐在反应堆中经中子轰击发生 Th(n﹐γ)233Th 俘获反应后﹐再经衰变才能得到。其生成方式为﹕ (433-02) 铀233具有 放射性﹐半衰期1。
592×10 年。用铀233作核燃料的优点是它在热中子或快中子堆中都可能实现较大的转换比﹐有利于生产更多的核燃料﹐使地壳中存在的钍资源得到利用。但铀 233生成时常伴随有相当量的铀232﹐而铀232子体中包含着具有强γ辐射的核素﹐在核燃料加工时﹐会增加技术上的困难。
钸239和铀233必须相应地在反应堆中辐照铀238和钍232才能得到﹐所以也称次级核燃料。 中子链式反应 由附图 中子链式反应示意图 可以看到﹕重核(图中的裂变燃料核﹐即铀235﹑钸239或铀233的原子核)在中子轰击下﹐分裂成两个中等质量的裂变产物核(它们包括元素周期表中从锌到钆的30多种元素的同位素的原子核)﹐并放出2～3个中子﹐同时释放出大量能量。
所放出的中子又可以轰击另外的裂变燃料核﹐继续发生裂变﹐放出中子。这样﹐原则上只要有一个中子引起了第一次裂变﹐就能周而复始地引起持续不断的中子诱发的裂变链式反应﹐并持续地释放出具有实用价值的核能。 由中子链式反应的过程可以看到﹕中子与核燃料发生核反应的特性与核燃料的利用有着十分密切的关系。
中子轰击核燃料而被吸收时﹐除发生裂变反应放出中子外﹐还能发生俘获反应﹐核燃料俘获轰击它的中子﹐生成核燃料的同位素﹐如 U(n﹐γ)236U﹑239Pu(n﹐γ)240Pu﹑233U(n﹐γ)234U等。俘获反应虽然消耗中子﹐但铀235﹑钸239﹑铀233吸收中子后发生裂变反应的几率(裂变截面)比发生俘获反应的几率(俘获截面)大得多﹐所以都可用作核燃料(表1 核燃料(铀235﹑钸239﹑铀233)的中子核反应特性 )。
临界质量 要实现自持的核裂变链式反应﹐所需易裂变材料(核燃料)不能低于一定的极限值﹐这个极限值称为临界质量。存在临界质量的原因是﹕虽然核燃料裂变所产生的中子比使它发生裂变所消耗的中子多﹐但所生成的中子除轰击到核燃料的原子核上外﹐还可能因泄漏出核燃料系统而损失﹐如果泄漏的份额过大﹐就不足以引起链式反应。
因此必须使核燃料系统的质量足够大﹐以减少中子的泄漏﹐链式反应才能实现。 为了减小临界质量以节约核燃料﹐可以采取多种措施﹐如采用中子吸收截面小的材料作中子反射层﹐使泄漏出去的中子重新反射回核燃料系统﹔设计具有适当几何形状的核燃料系统以减少中子泄漏﹔选用适当的中子慢化剂﹐使更多的裂变中子慢化为热中子以增大与核燃料发生裂变反应的截面﹔提高核燃料纯度以减少杂质对中子的吸收等。
如纯铀235在几何形状为球形时﹐临界质量为50千克左右﹔采用厚度为20厘米的天然金属铀作反射层﹐则临界质量可下降到22。8千克左右﹔而在硫酸铀酰水溶液的无反射层均匀体系中﹐铀235的临界质量可降低到0。82千克(6。3升)。 在处理或贮存核燃料时(如在核燃料后处理厂或核燃料贮存库中)﹐必须注意防止发生超临界质量事故。
这可以采取与上述相反的措施来达到。 核燃料的转换 由核燃料的中子特性可见﹕铀 235﹑钸239或铀233吸收一个中子后所产生的中子除维持链式反应外﹐还有相当数量的剩余可用于将铀238或钍232分别转变成钸239或铀233。这种转变成核燃料的过程称为核燃料的转换。
生成的核燃料的核数与为产生中子而消耗掉的核燃料的核数之比称为转换比﹐当转换比大于1时称为增殖﹐这时就可以使核燃料的产生大于消耗﹐得到核燃料的净增。三种核燃料可能的最大转换比见表2 核燃料(铀 235﹑钸239﹑铀233)的转换比 。表中所列转换比虽然都大于1﹐但在实际应用中的转换比要比表中所列的小。
只有当表中值大于1。1时﹐才有可能得到核燃料的增殖。 用天然铀或低浓铀作燃料﹐实际上是一种易裂变核素(铀235)和可转换核素(铀238)的组合燃料。与此类似﹐也可以采用其它组合形式的混合物作燃料﹐以生产用于不同目的的核燃料﹐例如﹐钸239-铀238组合﹑铀233-钍232组合等。
核燃料组件 固体核燃料需要制成一定形式的核燃料组件才能送进反应堆。这是因为﹕核燃料及其裂变产物都是具有放射性的核素﹐必须将它们与环境介质严格地隔离开﹔核燃料在反应堆中还要经受中子和γ射线辐照以及其它严重的物理和化学侵蚀。因此﹐需要将核燃料转化成合适的化学状态并密封包装在合适的包壳中﹐制成核燃料组件﹐以保证反应堆安全运行。
工业用的铀燃料可以采用金属﹑化合物或合金等形式。金属铀有熔点低﹑硬度低并易发生相变等缺点﹐所以不宜用在功率较高的反应堆中。用铀的氧化物(UO )或碳化物 (UC)制成的陶瓷型燃料能耐高温并具有较高的强度﹐是动力堆常用的燃料形式。 核燃料包壳的材料应具有对中子的吸收截面小﹑耐腐蚀﹑机械强度高等性质﹐低温水堆通常用纯铝﹐中温水堆用铝合金﹐高温水堆用不锈钢或锆合金。
聚变核燃料(热核燃料) 两个轻元素的原子核发生核反应时﹐能聚合成一个较重元素的原子核﹐同时释放出巨大的能量。这种反应称为聚变反应。参与聚变反应的轻核素﹐必须具有相当高的能量。使轻核素具有高能量的一种方式是提高轻核素的温度﹐在几兆度的高温下﹐就能引起聚变反应﹐所释放的能量能继续维持高温﹐从而使聚变反应持续进行。
这种自持的聚变反应是取得原子能的另一重要途径。由于聚变反应是在极高温度下进行的核反应﹐所以又称热核反应。产生聚变反应所用的轻核素称为聚变核燃料﹐又称热核燃料。人工热核反应首先在氢弹爆炸中实现。用于工业目的的可控聚变反应堆还处于研究试验阶段。 热核燃料有氘(D)﹑氚(T)和锂6( Li)三种核素。
锂6是转换成氚的原料。氘和氚主要通过下述聚变释放能量﹕ D+D─→ He+n+3。25MeV D+D─→ T+p+4。0MeV D+T─→ He+n+17。6MeV 上述反应在高温下就能进行﹐不受热核燃料数量的限制。 氘又称重氢﹐是氢的稳定同位素﹐它存在于自然界中。
天然水中含有氘水(重水)0。02％﹐由于大量海水的存在﹐可以说氘是取之不尽的能源。 氚又称超重氢﹐是氢的放射性同位素。氚具有β-放射性﹐半衰期12。323年。它是用锂6在反应堆中俘获中子产生的。其生成核反应为﹕ Li+n→T+ He+4。
8MeV 与(D﹐D)聚变反应相比﹐引发(D﹐T)聚变反应所需的温度较低而释放的能量较高﹐所以采用氘﹑氚混合物作燃料﹐比只用稳定的氘作燃料更容易实现热核反应。 锂 6是天然存在的核素﹐它在天然锂中的同位素丰度为 7。5％(其余为锂 7)。
锂在地壳中的平均含量为5×10-3％(重量)﹐比铀﹑钍的含量丰富。 我抄来一段你看看。这就是核电站所用的核能是哪儿来的。
核电站 将原子核裂变释放的核能转变为电能的系统和设备，通常称为核电站也称原子能发电站。核燃料裂变过程释放出来的能量，经过反应堆内循环的冷却剂，把能量带出并传输到锅炉产生蒸汽用以驱动涡轮机并带动发电机发电。核电站是一种高能量、少耗料的电站。
以一座发电量为100万千瓦的电站为例，如果烧煤，每天需耗煤 7000～8000吨左右，一年要消耗200多万吨。若改用核电站，每年只消耗1。5吨裂变铀或钚，一次换料可以满功率连续运行一年。可以大大减少电站燃料的运输和储存问题。此外，核燃料在反应堆内燃烧过程中，同时还能产生出新的核燃料。
核电站基建投资高，但燃料费用较低，发电成本也较低，并可减少污染。截至1986年底，世界上已有28个国家和地区建成了397座核电站。据国际原子能机构的统计预计到21世纪初将有58个国家和地区建造核电站，电站总数将达到1000座，装机容量将达到8亿千瓦，核发电量将占总发电量的35％。
由此可见，在今后相当长一段时期内，核电将成为电力工业的主要能源。 核电站的结构 核电站是怎样发电的呢？简而言之，它是以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，来加热水使之变成蒸汽。蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电。
一般说来，核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异，其奥妙主要在于核反应堆。 核电站除了关键设备——核反应堆外，还有许多与之配合的重要设备。以压水堆核电站为例，它们是主泵，稳压器，蒸汽发生器，安全壳，汽轮发电机和危急冷却系统等。它们在核电站中有各自的特殊功能。
主泵 如果把反应堆中的冷却剂比做人体血液的话，那主泵则是心脏。它的功用是把冷却剂送进堆内，然后流过蒸汽发生器，以保证裂变反应产生的热量及时传递出来。 稳压器 又称压力平衡器，是用来控制反应堆系统压力变化的设备。在正常运行时，起保持压力的作用；在发生事故时，提供超压保护。
稳压器里设有加热器和喷淋系统，当反应堆里压力过高时，喷洒冷水降压；当堆内压力太低时，加热器自动通电加热使水蒸发以增加压力。 蒸汽发生器 它的作用是把通过反应堆的冷却剂的热量传给二次回路水，并使之变成蒸汽，再通入汽轮发电机的汽缸作功。 安全壳 用来控制和限制放射性物质从反应堆扩散出去，以保护公众免遭放射性物质的伤害。
万一发生罕见的反应堆一回路水外逸的失水事故时，安全壳是防止裂变产物释放到周围的最后一道屏障。安全壳一般是内衬钢板的预应力混凝土厚壁容器。 汽轮机 核电站用的汽轮发电机在构造上与常规火电站用的大同小异，所不同的是由于蒸汽压力和温度都较低，所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电站的大。
危急冷却系统 为了应付核电站一回路主管道破裂的极端失水事故的发生，近代核电站都设有危急冷却系统。它是由注射系统和安全壳喷淋系统组成。一旦接到极端失水事故的信号后，安全注射系统向反应堆内注射高压含硼水，喷淋系统向安全壳喷水和化学药剂。便可缓解事故后果，限制事故蔓延。
注： 核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化。只有一些质量非常大的原子核像铀(yóu)、钍(tǔ)等才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变……，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。
原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能。1克铀-235完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2。5吨煤所产生的能量。 核电站优点: 1。核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。
2。核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。 3。核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。 4。核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。
5。核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。 核电站缺点: 1。核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。
2。核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。 3。核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。 4。核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。 5。兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。
6。核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。
问：那日本就有可控核反应的能力,日本会不会由此具有生产核武器的能力?
答：很多国家都能做原子弹了,那些国际机构都是有心无力的,就是朝鲜要造原子弹美国也没办法.以前杂志刊登过一个美国高中生造原子弹的事,这说明核能技术已经不新鲜了.日本当...详情>>
