核燃料化学工艺学资料

核燃料化学工艺学

第一章

1、裂变、聚变、可转换材料定义和种类

裂变材料：含有易裂变核素，放在反应堆内能使自持核裂变链式反应得以实现的材料钍233，铀235，钚239、钚241

聚变材料：

氢2、氢3

可转换材料：俘获中子后能直接或间接地转变为易裂变核素的核素。

钍232，铀234、铀238，钚240

2、核燃料循环的主要过程

采矿—冶炼—转化—浓缩—转化—元件—反应堆—后处理

核燃料循环过程包括：铀（钍）资源开发、矿石加工冶炼、铀同位素分离和燃料加工制造，燃料在反应堆中使用，乏燃料后处理和核废物处理、处置等三大部分。

核燃料循环前端：铀的提取、铀的纯化与转化、铀同位素浓缩、核燃料元件制造

核燃料循环使用端：反应堆燃烧

核燃料循环后端：核燃料后处理、核废物处理处置

3、铀循环原理及示意图

核燃料循环按核燃料性质可分为铀系燃料的铀-钚循环方式和钍系燃料的钍-铀循环方式。

铀-钚循环方式：包括热中子堆铀-钚循环和快中子增殖堆铀-钚循。

热中子堆铀-钚循环原理：以235U作为易裂变燃料、以238U作为转换原料、生成239Pu 的燃料循环，称为铀-钚循环。热中子堆铀-钚循环通常以低富集铀（3-5%）为燃料。

快中子增殖堆铀-钚循环原理：快堆以239Pu为燃料，并装载占天然铀99%以上的238U，在堆中238U转化成为239Pu的量大于烧掉的239Pu的量，并通过后处理把钚分离出来，作为快堆燃料的循环使用。

钍循环示意图

原理：以235U（或233U）作为易裂变燃料、以232Th作为转换原料、生成233U的燃料循环，称为钍-铀循环。在热中子堆中把232Th转化为另外一种核燃料233U，通过后处理把233U分离出来返回堆中循环使用。

示意图

第二章

1、裂变、聚变原理

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、钍等，这些原子核在吸收一个中子后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。核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。

链式反应的控制：控制链式反应就是靠低Z材料（如石墨、重水、钠、硼砂等）来吸收中子，使核反应保持临界状态或者次临界状态的。一般的核反应堆应该使用的是石墨棒，通过提升和放下该石墨棒组来控制链式反应。

2、235U的裂变及其链式反应

235U+n→236U→144Ba+89Kr+3n

上诉反应所产生的中子，至少有一个用于诱发新的裂变反应，则裂变反应将以链式反应方式进行，称为裂变链式反应。

3、中子截面（散射、吸收、俘获）

中子散射截面：描述微观粒子散射概率的一种物理量。

吸收截面：一个中子通过单位面积的靶核后,被吸收掉的概率。

俘获截面：元素的一个原子核对中子发生俘获反应的几率。

总截面=裂变截面+俘获截面+δn

当激发能比较低时，发射中子的反应截面很小：吸收截面=裂变截面+俘获截面

4、反应堆的结构、组成、类型

组成：堆芯，是反应堆的核心部分，又称为活性区。它由燃料元件、慢化剂（或称中子减速剂）和冷却剂组成。

中子反射层，防止堆芯中子泄漏。

控制系统，确保反应堆安全。

屏蔽层，保护运行人员的安全。

辐射监测系统，保证人员安全，避免环境污染。

类型：1、按用途分：生产堆、研究试验堆（零功率堆、工程研究堆、微形中子源反应堆）、动力堆（轻水反应堆包括：压水反应堆、废水反应堆；重水反应堆；石墨慢化反应堆包括：水冷堆、气冷堆、高温气冷堆；快中子增值堆）2、按燃料布置类型：均匀堆和非均匀堆5、四因子公式

四因子公式：

K∞= η·ε·p·f

η—次级中子数

ε—快中子增值因子

p—逃脱共振吸收几率

f—热中子利用因子

K有效= K∞P

P—中子不泄漏几率

第三章

1、铀钚的水化学特点（水解、歧化、聚合、离解）、相互价态及相互关系

铀的水解：

A、电离势(Z/ r )大的金属离子，具有较强的水解能力

B、铀的水解能力为：

U4+> UO22+ > U3+ > UO2+

C、电离势(Z/ r )大的金属离子，具有较强的水解能力。

D、UO2＋的歧化反应：2UO2＋=UO22＋+U4＋

Pu4+歧化反应（采取措施抑制）：

PuO2+的歧化：

钚的水解与聚合：

水解反应式：

钚离子的水解趋势：Pu4+>PuO23+>Pu3+>PuO2+

2、络合化学的几个基本概念（中心配体、配合物、螯合物）

配位体:与中心离子结合并能提供孤电子对的离子和分子。如NH3、H2O、CO，也可以是阴离子，如CN-、F-、Cl-、SCN-。配体都有孤对电子（∶），如∶NH3、CO∶等

中心离子或中心原子通过配位键与配位体形成的复杂化合物，也叫配位化合物。配合物的内界：（中心原子)和(配位体）

螯合物：含有一个以上配位原子的多齿配体，它与金属离子生成的环状螯合物有较大的稳定性。

3、铀钚络合的化学特点

铀络合：铀络合物稳定性次序

1）金属离子Z2/r愈大，电负性愈大，与配位体形成的络合物愈稳定。

U4+>UO22+>U3+>UO2+

U4+>U3+，UO22+ >UO2+，很少有例外。

2）可与多种阴离子发生络合反应，不同阴离子对UO22+的络合能力大小按下式排列：

Cl-C2O42->SO42-

2）二价阴离子的络合能力比一价阴离子强。

3）强酸弱络合，弱酸强络合

钚络合：

1）任意价态的钚离子比相应价态的铀或镎离子都具有更强的络合能力。Pu4+>U4+>Np4+