核燃料化学课件汇总.ppt

1、核燃料化学核燃料化学东华理工大学东华理工大学化学生物与材料科学学院化学生物与材料科学学院绪论绪论核能核燃料核燃料循环主要内容主要内容第一节第一节核能核能化石燃料煤、石油、天然气化石燃料煤、石油、天然气太阳能、风能、地热能、潮汐能等太阳能、风能、地热能、潮汐能等不可再生能源不可再生能源可再生能源可再生能源工业应用、可以大规模替代化石燃料工业应用、可以大规模替代化石燃料核能核能原子核中的核子重新分配时释放出来的能量。原子核中的核子重新分配时释放出来的能量。裂变能裂变能，重元素（如铀、钚等）的原子，重元素（如铀、钚等）的原子核发生分裂时释放出来的能量。核发生分裂时释放出来的能量。聚变能聚变能，由轻元

2、素（氘和氚）原子核发，由轻元素（氘和氚）原子核发生聚合反应时释放出来的能量。生聚合反应时释放出来的能量。核能的分类核能的分类核能产生机理核能产生机理 质子和中子的重量偏重，如果两个轻的原子合成一个重原质子和中子的重量偏重，如果两个轻的原子合成一个重原子，两个轻原子的原子量之和往往重于合成的重原子。子，两个轻原子的原子量之和往往重于合成的重原子。质子和中子的重量也偏重，一个重原子分裂为两个轻原子，质子和中子的重量也偏重，一个重原子分裂为两个轻原子，重原子的原子量一般重于两个轻原子之和。重原子的原子量一般重于两个轻原子之和。在较轻的原子中：在较轻的原子中：在较重的原子中：在较重的原子中：亏损的质量

3、即转换为能量，由于亏损的质量即转换为能量，由于c2是个巨大的系数，是个巨大的系数，很小的质量就可释放出巨大的能量。很小的质量就可释放出巨大的能量。E=mc2核裂变反应机理核裂变反应机理核聚变反应示意图核聚变反应示意图化学能化学能 核能与化学能的区别核能与化学能的区别靠化学反应中原子间的电子交换而获得能量。例靠化学反应中原子间的电子交换而获得能量。例如煤或石油燃烧时，每个碳或氢原子氧化过程中，如煤或石油燃烧时，每个碳或氢原子氧化过程中，只能释放出几个电子伏能量。只能释放出几个电子伏能量。1kg天然铀可代替天然铀可代替2040t煤煤靠原子核里的核子（中子或质子）重新分配获得能靠原子核里的核子（中子

4、或质子）重新分配获得能量，这种能量大得出奇。可产生几亿电子伏能量。量，这种能量大得出奇。可产生几亿电子伏能量。核能核能 可在核反应堆中通过核裂变或核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。聚变产生实用核能的材料。核燃料核燃料第二节第二节核燃料核燃料较高的裂变截面、较低的捕获截较高的裂变截面、较低的捕获截面，较长的半衰期和容易获得。面，较长的半衰期和容易获得。核燃料特征核燃料特征裂变核燃料裂变核燃料233U,235U，239Pu中子中子200MeV能量能量+23中子中子233U,235U，239Pu链式反应链式反应233U,235U，239Pu,245Cm锔锔,249Cf(锎锎),2

5、51Cf,242Am等。等。重核重核已经大量建造的核反应堆使用的是裂变已经大量建造的核反应堆使用的是裂变核燃料核燃料235U和和239Pu，很少使用，很少使用233U。至今由。至今由于还未有建成使用聚变核燃料的反应堆，因于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此通常说到核燃料时指的是裂变核燃料裂变核燃料。2H，3H,6Li。轻核轻核聚变核燃料聚变核燃料2H+2H3He+n+3.27MeV3H+1H+20MeV6Li+2H24He+22.4MeV轻核结合成质量较大的核的过程叫核的聚变。轻核结合成质量较大的核的过程叫核的聚变。聚变聚变太阳内部，氢核在极高温度下聚变成氦核，太阳

6、正是靠这种反应以惊人的巨大功率，向宇宙空间辐射能量的。例：例：易裂变核素吸收一个中子，产生的中子数大于易裂变核素吸收一个中子，产生的中子数大于2.0时，时，一个中子用以维持链式反应，第二个中子用以生产易一个中子用以维持链式反应，第二个中子用以生产易裂变材料的新原子而代替被第一个中子消耗掉的原子。裂变材料的新原子而代替被第一个中子消耗掉的原子。核燃料的增值核燃料的增值增殖增殖由可转换核素由可转换核素238U、232Th转换生产新的有用转换生产新的有用的同位素的同位素239Pu、233U的过程。的过程。燃料转换燃料转换核燃料的转换核燃料的转换核燃料富集核燃料富集 采用同位素分离的方法，将天然铀或铀

7、同位素采用同位素分离的方法，将天然铀或铀同位素混合物中混合物中235U含量提高到高于天然铀的不同程度。含量提高到高于天然铀的不同程度。动力堆：动力堆：15%研究堆实验堆：研究堆实验堆：290%235U的含量降到的含量降到0.30.25%的尾料称为贫铀。的尾料称为贫铀。铀浓缩铀浓缩/富集富集核燃料类型核燃料类型金属型燃料金属型燃料优点优点密度高，导热密度高，导热性好，易于加性好，易于加工，乏燃料后工，乏燃料后处理方便。处理方便。金属金属U易发生易发生相变，高温下相变，高温下易与水和包壳易与水和包壳发生反应。发生反应。含铀或铀合金，钚或钚合金。缺点 陶瓷性燃料陶瓷性燃料(a):U或或Pu与非金属元

8、素与非金属元素O、C、N形成的单一化合物形成的单一化合物UO2PuO2熔点高，燃耗深，辐照稳定性好。熔点高，燃耗深，辐照稳定性好。热导率高，但燃耗不高。实际应用不高多热导率高，但燃耗不高。实际应用不高多与与UC相似，实际未应用。相似，实际未应用。(b):U+Pu或或U+Th和和O、C、N形成的互溶体化合物形成的互溶体化合物(U-Pu)O2(U-Th)O2(U-Pu)C(U-Pu)NUCUN弥散型燃料弥散型燃料将含有易裂变核素的化合物加工成颗粒或粉末，均匀的散布在非裂变材料中形成的优点辐照稳定性好，辐照稳定性好，导热性能好，导热性能好，抗腐蚀使用寿抗腐蚀使用寿命长，燃耗深。命长，燃耗深。基体相份

9、额大，基体相份额大，必须采用高浓必须采用高浓铀或密度高的铀或密度高的低浓铀。低浓铀。缺点 燃料相基体相磷酸盐磷酸盐(2200万万t)和海水中和海水中铀资源铀资源(超过超过40亿亿t)。此外，。此外，还有大量待查明资源。还有大量待查明资源。核能资源核能资源天然核燃料天然核燃料铀铀钍氘钍氘最重要的品位为最重要的品位为0.10.5，平均含量，平均含量仅为百万分之二仅为百万分之二非常规铀资源非常规铀资源全球铀资源量全球铀资源量1620万万t，可供可供250年年中国中国铀资源较多的国家铀资源较多的国家贫铀国家贫铀国家澳大利亚、哈萨克斯坦、加拿大、美国、南非、澳大利亚、哈萨克斯坦、加拿大、美国、南非、纳米

10、比亚、尼日尔、俄罗斯和巴西纳米比亚、尼日尔、俄罗斯和巴西日本，法国，韩国日本，法国，韩国等。等。储量排名世界第十位之后储量排名世界第十位之后,不适应大力发展核电的长期需求。不适应大力发展核电的长期需求。中小规模矿床占总储量的中小规模矿床占总储量的60%以上。况且矿石品位偏低。以上。况且矿石品位偏低。铀资源量均在铀资源量均在10万万t以上，合计以上，合计占世界铀资源量的占世界铀资源量的866。234U-0.0054%235U-0.7204%238U-99.2742%铀铀地壳：平均含量地壳：平均含量3.510-4%3.5g/T岩石岩石海水：海水：2mg/T海水海水钚钚：自然界中几乎不存在，由：自然

11、界中几乎不存在，由238U转换得到。转换得到。钍钍：自然界中只含有：自然界中只含有232Th，可转化为，可转化为233U。氢氢1H：99.985%2H：0.015%天然同位素天然同位素存在于：氢气、水、存在于：氢气、水、石油、天然气石油、天然气海水中含量丰富：海水中含量丰富：51013t3H：人工同位素，大气和水中及其微小。：人工同位素，大气和水中及其微小。Li：自然界含量丰富，地壳含量：自然界含量丰富，地壳含量0.006%。第三节第三节核燃料的循环核燃料的循环指核燃料从开采、指核燃料从开采、冶炼、加工、使冶炼、加工、使用、处理、回收用、处理、回收和再使用的全过和再使用的全过程。程。核燃料循环

12、核燃料循环核能，裂变，聚变核能，裂变，聚变核能和化学能的区别核能和化学能的区别核能产生的机理核能产生的机理核燃料核燃料常见的核燃料有哪些？常见的核燃料有哪些？核燃料类型核燃料类型核燃料增殖和转换核燃料增殖和转换核燃料循环核燃料循环习题习题核燃料化学核燃料化学一、铀、钍、钚的原子结构及核性质一、铀、钍、钚的原子结构及核性质二、铀、钍、钚的络合物化学二、铀、钍、钚的络合物化学三、铀、钍、钚的氧化与还原反应三、铀、钍、钚的氧化与还原反应四、水解、聚合与沉淀反应四、水解、聚合与沉淀反应五、铀、钍、钚的萃取化学五、铀、钍、钚的萃取化学六、离子交换反应六、离子交换反应七、金属，氧化物与氟化物化学七、金属，

13、氧化物与氟化物化学主要内容主要内容第一章第一章铀钍钚的原子结构及性质铀钍钚的原子结构及性质二、铀钍钚在自然界中的存在及其核性质二、铀钍钚在自然界中的存在及其核性质铀钍钚铀钍钚铀钍放射系铀钍放射系一、原子结构一、原子结构锕系理论锕系理论锕系元素电子结构锕系元素电子结构本章内容本章内容：在发现超铀元素之前，锕列在在发现超铀元素之前，锕列在B族，钍、镤、铀分族，钍、镤、铀分别列在别列在B、B、B族，最稳定氧化态一致。族，最稳定氧化态一致。1.1锕系理论锕系理论1原子结构原子结构但这样排列有许多但这样排列有许多矛盾矛盾之处：之处：（1）金属的比重和熔点；）金属的比重和熔点；金属金属钛锆铪钍比重比重4.

14、516.5213.3111.71熔点熔点1672185522251840金属金属铬钼钨铀比重比重7.2010.219.3519.05熔点熔点1900262534151132（2）U、Th矿在自然界的分布；矿在自然界的分布；（3）从结晶学看；）从结晶学看；（4）U、Th可生成可生成UH3、ThH3与镧系氢化物相似。与镧系氢化物相似。周期表第七周期中，自周期表第七周期中，自89号元素锕至号元素锕至103号元素号元素铹的铹的15个元素，因原子结构和性质都十分相似，个元素，因原子结构和性质都十分相似，故列为一个系列而排入第三副族故列为一个系列而排入第三副族(B)的理论。的理论。1945年，美国化学家年

15、，美国化学家西博格西博格等提出等提出锕系理论锕系理论：镧镧系系57镧镧La58铈铈Ce59镨镨Pr60钕钕Nd61*钷钷Pm62钐钐Sm63铕铕Eu64钆钆Gd65铽铽Tb66镝镝Dy67钬钬Ho68铒铒Er69铥铥Tm70镱镱Yb71镥镥Lu锕锕系系89锕锕Ac90钍钍Th91镤镤Pa92铀铀U93*镎镎Np94*钚钚Pu95*镅镅Am96*锔锔Cm97*锫锫Bk98*锎锎Cf99*锿锿Es100*镄镄Fm101*钔钔Md102*锘锘No103*铹铹Lr原子序数原子序数元素元素 符号符号 价电子层结价电子层结57镧镧La4f05d16s258铈铈Ce4f15d16s259镨镨Pr4f36s2

16、60钕钕Nd4f46s261钷钷Pm4f56s2价电子构型通式：价电子构型通式：4f0-14，5d0-1，6s21.2电子结构和氧化态电子结构和氧化态镧系元素镧系元素电子构型电子构型62钐钐Sm4f66s263铕铕Eu4f76s264钆钆Gd4f75d16s265铽铽Tb4f96s266镝镝Dy4f106s267钬钬Ho4f116s268铒铒Er4f126s269铥铥Tm4f136s270镱镱Yb4f146s271镥镥Lu4f145d16s2电子构型电子构型氧化态氧化态镧系收缩镧系收缩+III氧化态是所有镧系元素的特征氧化态。氧化态是所有镧系元素的特征氧化态。虽然也有虽然也有+II或或+IV氧化态，但都不稳定。氧化态，但都不稳定。镧系元素的原子半径和离子半径随着原子序镧系元素的原子半径和离子半径随着原子序数的增加而逐渐减小的现象。数的增加而逐渐减小的现象。原子序数原子序数元素元素 符号符号 价电子层结构价电子层结构89锕锕Ac5f06d17s290钍钍Th5f06d27s291镤镤Pa5f26d17s292铀铀U5f36d17s293镎镎Np5f46d17s294钚钚Pu5f67s29