核工业复习资料

作业3：1.铀的氧化物的物理性质和化学性质：UO2 , U3O8 , UO3
物理性质： 氧化物颜色熔点，℃密度，g/cm3可用的制备方法
UO2棕色276010.97用H2还原UO3
U3O8黑色分解8.38氧化UO2
UO3桔色分解7.00灼烧UO2(NO3)2
化学性质：
①二氧化铀
UO2呈棕黑色，可在还原剂存在下，煅烧分解铀酰盐或者高温还原某些铀氧化物来制备。

在室温下比较稳定。

但在空气中加热到200度以上被氧化成U3O8：
UO2在室温情况下可与HCl 、H2SO4和HNO3缓慢作用。

在热HNO3溶液中反应加快，生成黄色的UO2(NO3)2溶液：
UO2不溶于水和碱，但在含有H2O2的碱或者碳酸盐溶液中迅速溶解，生成过铀酸盐
UO2可作为动力堆的燃料元件。

②八氧化三铀
U3O8可以通过灼烧多种铀盐或某些铀氧化物来制备，其颜色随制备条件的不同而呈现橄榄绿、墨绿或黑色等。

U3O8是铀最稳定的氧化物在500°以上的空气中，唯有U3O8才能稳定存在，且组成固定，因而它可作为重量法测铀的基准化合物。

U3O8不溶于水和各种稀酸，但可与浓HNO3作用生成UO2(NO3)2溶液，也能与浓H2SO4或HCl 作用，生成四价铀盐和铀酰盐的混合物：
③ UO3为两性铀氧化合物，它与酸作用生成铀酰盐，与碱作用生成难溶性的铀酸盐如Na2UO4或重铀酸盐如（NH4)2U2O7。

因此，称作铀酸酐。

UO3在水中的溶解度很小，仅为1.2 10-8g/mL 。

但是它能与血浆中的NaHCO3作用，生成可溶性的络合物Na4[UO2(CO3)3]，从而增加在血浆中的溶解度：
83200223O U O UO C −−→−+︒〉↑++→+NO O H NO UO HNO UO 24)(38322232O H UO Na NaOH O H UO 284222644+→++O H SO U SO UO SO H O U 2244242834)(24++→+
2.铀的氟化物的性质和制备方法：
①四氟化铀：
在U4+的酸性溶液中加入氢氟酸，即可得到UF4的水合物。

在高温下，将UO2与氢氟酸或者氟利昂、氟化铵等氟化剂作用，可制得无水UF4：
UF4为绿色晶状物质，俗称“绿盐”green salt ，其化学性质不活泼，与氧在800°时才发生反应：
UF4难溶于水和无机酸，在水中的溶解度仅为1 10-4mol/L （25°），但易溶于发烟高氯酸，也能因络合作用而溶于草酸、草酸铵、碳酸铵以及含硼酸或铝盐的无机酸。

UF4还能与碱金属过氧化物或过氧化氢的氨溶液剧烈反应生成可溶性的过铀酸盐；与碱金属或碱土金属的氟化物反应生成一系列复盐（如NaUF5等）。

UF4在沸水中易水解，其水解产物在空气中可部分转变为能引起肺中毒的UO2F2：
②六氟化铀：
UF6一般是在300°下用氟气通过粉末状的UF4来制备：
UF6是一种白色晶体，易升华，常压下其升华点为56.5°，此特性被用于其扩散法富集235U 。

UF6在干燥的空气中比较稳定，一般不与氧或氮反应。

但它是一种强氟化剂和氧化剂。

常温下大多数金属及其有机物均能被它腐蚀，而聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯等含氟塑料及其高镍合金可耐UF6的腐蚀。

UF6能与水或水蒸气强烈作用产生极毒气体HF ，且腐蚀性很强，能引起玻璃、石英等器皿的腐蚀。

UF6还能与碱金属氟化物反应生成复盐（如3NaF.UF6）
国外：
①湿法：所谓湿法是把磨碎的U3O8溶解于硝酸中，送进逆流萃取塔，用煤油稀释的磷酸三丁酯把硝酸铀酰萃取到有机溶液中而与杂质分离。

再用水把铀盐反萃取到水溶液中，成为纯化了的硝酸铀酰。

经过脱销塔加热除水脱硝，得到UO3 ．然后经过三个阶段制成UF6。

优点：原理比较简单。

缺点：在萃取过程中不能完全清除某些杂质，要求纯度较高的Ｕ３O ８作为原料，所得到的ＵＦ６不如干法纯净。

②干法：干法就是把磨碎的U3O8在高温的硫化床反应炉中用氢气直接还原为UO2，在↑++→+223324332))((4CO O H CO UO Na NaHCO UO ↑+−−−→−+︒-O H UF HF UO C 246005002242
26800242F UO UF O UF C +−−→−+︒HF
OH UF O H UF +→+)(324HF OH UF O H OH UF +→+2223)()(O H F UO O OH UF 22222422)(2+→+6
30024UF F UF C −−→−+︒HF F UO O H UF 422226+→+O
H SiF H SiO HF 262226+→+
经过两个阶段制成不纯的UF6，最后用分级蒸馏法加以纯化。

优点：制的的UF6较纯净。

缺点：干法必须采用分级蒸馏法对UF6 进行必要的纯化，这种过程比较困难。

3.铀的同位素分离与富集：
①气体扩散法：基于两种不同分子量的气体混合物在热运动平衡时，两种分子具有相同的平均动能，而速度不同，将235UF6 和238UF6 分离。

②离心法：在变速旋转的离心机中，由于很强的离心力场的作用，较重的分子靠近外周富集，较轻的分子靠近轴线富集，从外周和中心分别引出两股气体流，从而实现235UF6 和238UF6 的分离。

③喷嘴法：用大量He气或H2气同UF6气体混合成为工作气流，使之通过狭缝喷嘴而膨胀，在膨胀过程中加速到超声速的气流顺着喷嘴凹的曲面壁弯转，较重分子靠近壁面富集，较轻分子远离壁面富集，从而实现235UF6 和238UF6 分离。

④激光法：利用235U与238U质量差所引起的激发能差别。

原子激光法是将金属铀蒸发，然后用一定波长的激光束将铀-235原子激发到一个特定的激发态或电离态，但不能激发或电离铀-238原子。

再施加电场收集通向收集板的铀-235原子。

分子激光法首先用红外线激光照射六氟化铀气体分子。

铀-235原子吸收这种光谱，从而导致原子能态的提高。

再利用紫外线激光器分解这些分子，分离出铀-235。

作业4：1.核元件芯体、核燃料元件分类：①按核燃料芯体材料分类：金属型燃料、弥散型燃料、陶瓷型燃料②按元件结构及几何形状分类：棒状元件、管状元件、同心套管元件、板状元件、球形元件
2.四道屏障：为防止放射性物质外逸设置了四道屏障：1、燃料芯块；2、密封的燃料包壳；
3、坚固的压力容器和密闭的一回路系统；
4、安全壳。

压水堆材料：燃料芯块：压水堆燃料是高温烧结的圆柱形二氧化铀陶瓷块；直径约8毫米，高13毫米。

其中U-235浓缩度约3％。

燃料元件：燃料芯块一个个地重叠着放在外径约9.5毫米，厚约0.57毫米的锆合金管内，锆管两端有端塞。

燃料芯块完全封闭在锆合金管内。

这种锆合金管称为燃料元件包壳。

燃料组件：燃料元件用定位格架定位，组成横截面是正方形的燃料组件。

每一个燃料组件包括200多根燃料元件。

作业5：1 , 什么是反应堆
答：是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。

指任何含有其核燃料按此种方式布置的结构，使得在无需补加中子源的条件下能在其中发生自持链式核裂变过程。

2 、简述压水反应堆的工作原理
答:以普通水（叫做轻水，以区别于重水）作冷却剂和慢化剂。

冷却剂的作用是把核裂变放出的热量传递出来，产生蒸汽驱动蒸汽轮机。

慢化剂的作用是让核裂变产生的中子减速，以增加中子在反应堆内的滞留时间，降低逃逸率.
使用加压轻水（h2o）作冷却剂和慢化剂，且水在堆内不沸腾的核反应堆。

燃料为加浓铀。

当铀235的原子核受到外来中子轰击时，一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核，同时放出2—3个中子。

这裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子核，引起新的裂变。

如此持续进行就是裂变的链式反应。

链式反应产生大量热能。

用循环水带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。

导出的热量可以使水变成水蒸气，推动气轮机发电。

高温高压水将热能带到蒸汽发生器，产生的水蒸汽推动叶片，让发电机发电。

3、压水堆与沸水堆的区别
答：压水堆使用加压轻水（即普通水）作冷却剂和慢化剂，且水在堆内不沸腾的核反应堆。

沸水堆又叫轻水堆，沸水堆核电站工作流程是：冷却剂（水）从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒那里得到了热量，使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电。

沸水堆与压水堆相比有两个优点：第一是省掉了一个回路，不需蒸汽发生器；第二是工作压力可以降低。

为获得与压水堆同样的蒸汽温度，沸水堆只需加压到约72atm，比压水堆低了一半。

4、控制棒材料有哪些要求
答：不但本身的中子吸收截面大，其子代产物也应具有较高的中子吸收截面，以增加控制棒的使用寿命；材料对热中子和热中子都具有较高的吸收能力；熔点高、导热性好、热膨胀率小、使用时尺寸稳定并与包壳相容性好；中子活化截面小、含长半衰期同位素少；强度高、塑韧性好、抗腐蚀、耐辐射
作业6：1、放射性废物定义？特点？分类？
定义：
放射性废物为含有放射性核素或被放射性核素污染，其浓度或活度大于国家审管部门规定的清洁解控水平，并且预计不再利用的物质。

特点：
①含有放射性物质。

它们的放射性不能用一般的物理、化学和生物方法消除，只能靠放射
性核素自身的衰变而减少。

②射线危害。

放射性核素释放出的射线通过物质时发生电离和激发作用，对生物体会引起
辐射损伤。

③热能释放。

放射性核素通过衰变放出能量，当废液中放射性核素含量较高时，这种能量
的释放会导致废液的温度不断上升甚至自行沸腾。

分类：按比活度和半衰期可分为：高放长寿命、中放长寿命、低放长寿命、中放短寿命、低放短寿命五类
按物理状态分：气、液、固
2、什么是高放废物？处理难点？
定义：指放射性核素的含量或浓度高，释热量大，操作和运输过程中需要特殊屏蔽的放射性废物。

处理：高放废物的处置方式可分为地质处置和非地质处置两大类。

地质处置包括海洋处置、海岛处置、冰盖处置、岩石熔化处置、深地质处置等。

非地质处置主要是指核素分离与嬗变和宇宙处置。

作业71、三大事故原因
•三里岛：这次事故由给水丧失引起瞬变开始，经过一系列事件造成了堆芯部分融化，大量裂变产物释放到安全壳。

•切尔：该事故是在反应堆安全系统试验过程中发生功率瞬变引起瞬发临界而造成的严重事故。

反应堆堆芯、反应堆厂房和汽轮机厂房被摧毁，大量放射性物质释放到大气。

•福岛：由极端自然灾害引起
长时间全厂完全断电（没有动力电源、没有照明、没有仪表指示、没有控制
手段），同时丧失最终热阱
局部位置不可达
多机组相继发生堆熔
在未预计到的位置发生氢气爆炸
大量放射性物质释放
2、纵深防御：通过设置多层重叠的安全防护系统而构成多道防线，使得即使某一防线失效也能被其他防线弥补或纠正，即通过增加系统的防御屏障或将各层之间的漏洞错开的方式防范差错发生的。

3、核安全文化包括：在核设施和核活动中，保持正常的运行工况，采取各种防护措施，保护工作人员、公众和环境免受不适当的辐射危害。

安全文化指的是存在于单位和个人中的种种特性和态度的总和,这种概念超出一切之上,那就是核电厂的安全问题由于它的重要性必须保证得到应有的重视。

这种实现意味着“内在的探索态度、谦虚谨慎、精益求精，以及鼓励核安全事务方面的个人责任心和自我完善。

”它强调的既是态度问题,同时又是体制问题,既和单位有关,又和个人有关,同时还牵涉到处理所有核安全问题时所应该具有的正确理解能力和应该采取的正确行动。

就安全文化表现而言,它是由以下两个主要方面组成的,第一是体制,由单位的政策和管理者的活动所确定；第二是每个人的响应,这些人在上述体制中工作,并从中受益。

但是,事情的成功取决于两方面的因素,即政策和管理方面以及每个人本身的承诺和能力。

作业8 1、辐射防护的基本原则（P212）
辐射防护原则：
实践的正当化─ 任何涉及辐射照射的行动都必须具备充分理由，即该行动对受照射的个人或社会利多於弊；
防护的最优化─ 个人剂量及受辐射照射的人数，应在合理可行和顾及经济和社会因素的情况下减至最少；
以及个人剂量限值─ 个人所受的照射须符合剂量限值，确保没有人需要承受不能接受的辐射危害。

2、辐射防护的一般方法
一、时间防护
对于相同条件下的照射，人体接受的剂量与照射的时间成正比。

因此减少接受照射的时间，就可以明显减少吸收剂量。

二、距离防护
对于点源，如果不考虑介质的散射和吸收，它在相同方位角的周围空间所产生的直接照射剂量与距离的平方成反比。

实际上，只要不是在真空中，介质的散射和吸收总 是存在的，因此直接照射剂量随着与源的距离的增加而迅速减少。

在非点源和存在散射照射的条件下，近距离的情况比较复杂；对于距离较远的地点，其所受的剂量 也随着距离的增加而迅速减少。

三、物质屏蔽
射线与物质发生作用，可以被吸收和散射，即物质对射线有屏蔽作用。

对于不同的射线，其屏蔽方法是不同的。

对于ｒ射线和ｘ射线，用原子序数高的物质（如铅）效果较好；对β射线则先用低原子序数的材料（如有机玻璃）；对于a 射线的屏蔽很容易，在体外，它基本上不会对人体造成危害，但它的内照射危害特别严重。

3、电离辐射与电磁辐射的区别
电离辐射是一切能引起物质电离的辐射总称，其种类很多，高速带电粒子有α粒子、β粒子、质子，不带电粒子有中子以及X 射线、γ射线。

电磁辐射是由空间共同移送的电能量和磁能量所组成，而该能量是由电荷移动所产生;举例说，正在发射讯号的射频天线所发出的移动电荷，便会产生电磁能量。

论述题：核燃料循环前段流程图
铀矿开采：地浸、堆浸和原地爆破浸出法地浸向地下注入大量化学试剂，可能会污染地下采 矿 和
精
转 富 燃料元件反 应 堆 金属黄天然
U UO2/U UF6 低浓铀或
燃料
水和周围环境。

严格设计，及时封闭和地下环境恢复。

②铀水冶：铀水冶 尾矿砂：铀浸出率约为95%，5%的铀残留在尾砂中，处理1t 铀矿石产生1.1～1.2t 尾砂，能释放氡气，作为一类特殊废物应建坝存放。

水冶废水：处理1t 铀矿石产生5～8t 废水，除石灰乳中和法外，可用离子交换树脂除铀，吸附剂除镭。

水冶废气：铀尘、氡、气溶胶
③铀精制
工艺方法：将铀化学浓缩物提纯和铀氧化物制备的工艺阶段称为铀的精制。

纯化的方法有溶剂萃取法、离子交换法和分步结晶法等。

磷酸三丁酯（TBP ）萃取法是典型的精制工艺。

精制产品：硝酸铀酰UO2（NO3）2、重铀酸铵（NH4）2U2O7、三碳酸铀酰铵（NH4）4[UO2（CO3）3]、八氧化三铀U3O8等。

铀精制产生少量含天然铀低放废物。

④铀转化：六氟化铀的生产和转化
从铀水冶厂来的U3O8原料
第一步：用氢气还原六价铀
U3O8 ＋2H2＝3UO2 ＋2H2O
第二步：把UO2氢氟化为四氟化铀UF4
第三步：用氟气把UF4氟化为六氟化铀UF6
六氟化铀氢气还原为四氟化铀：
四氟化铀水解为二氧化铀：
铀转化的废物:主要是固体CaF2，此外还有含CaF2、Ca(OH)2和少量铀的泥浆废物，CaF2含铀量很低，但体积较大，经审管部门批准可作一般工业废物处理。

⑤铀的富集
铀-235和铀-238，化学性质相同，仅在质量上有微小的差别，只能利用因质量不同而引起的效应，如速度效应、离心力效应和电磁效应来使同位素分离。

（1）气体扩散法
（2）离心机法
（3）激光分离法
高温气冷堆（HTGR ）：采用涂敷颗粒燃料，以石墨作慢化剂和堆芯结构材料，以氦气作冷却剂的先进热中子反应堆。

高温气冷堆的特点
1、高温高效，提供高温核热的多用途核能源；
2、公认的固有安全性堆型，对环境污染小，可建在人口密集区；
3、可获得较高的核燃料转换比。

24242UO HF UF H O
+→+426UF F UF +→6242UF H UF HF
+→+42224UF H O UO HF +→+
高温堆为何能获得高温？采用“全陶瓷”型涂敷颗粒燃料，不用金属包壳，能承受很高的温度，在1600℃下仍能保持燃料颗粒的完整性；采用耐高温的石墨（可承受3000℃高温）作为堆芯结构材料；使用化学惰性的氦气作为冷却剂，它与其它材料有很好的高温相容性。

由于这些原因，可以使高温气冷堆的冷却剂出口温度达到950℃，是迄今各类反应堆中工作温度最高的堆型。