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各国核电份额
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国内外核电现状
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2.核燃料
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核燃料（nuclear fuel）
核燃料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。主 要是铀-235、钚-239、铀-233等重元素。自然界天然存在的易于裂变 的材料只有Ｕ-235，它在天然铀中的含量仅有0.711％，另外两种同位 素Ｕ-238和Ｕ-234各占99.238％和0.0058％，后两种均不易裂变。另 外 两 种 利 用 反 应 堆 或 加 速 器 生 产 出 来 的 裂 变 材 料 Ｕ -233 和 Pu-239 。 用这些裂变材料制成金属、金属合金、氧化物、碳化物等形式作 为反应堆的燃料。
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铀合金 为了改善纯铀的特性
g相合金：U-Zr, U-Mo, U-Nb, 快冷得到立方g相
a相合金：保持a 结构并具有细小而混乱的晶粒组织，抗辐照，典型合 金有 U-1.5%Nb-5%Zr、U-2%Zr、U-0.3%Cr、U-1.5%Mo等。
金属间化合物：U3Si是具有一定压缩延性的金属间化合物，其耐蚀性 远高于金属铀，在燃料芯块中心予留孔洞就可以适应大多数情况下辐 照引起的尺寸变化。用于动力堆的只有铀-锆合金。
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核燃料—固体核燃料—陶瓷型核燃料
陶瓷型 氧化物陶瓷、碳化物陶瓷
目的：改善燃料性能，克服陶瓷型燃料的导热和延性不足 方法：(1) 将陶瓷燃料(UO2)粉末或金属间化合物粉末等弥散在 金属基体内，或(2)用热解碳和碳化硅包覆氧化物或碳化物的涂层 颗粒燃料，再将这些颗粒燃料弥散在石墨体内 用途：作为高温堆燃料，如高温气冷堆的燃料
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核燃料
1) 裂变核燃料:铀235、铀238和钚239是能发生核裂变的核燃料，又 称裂变核燃料。其中铀235存在于自然界，而铀233、钚239则是钍232 和铀238吸收中子后分别形成的人工核素。从广义上说，钍232和铀238 也是核燃料。已经大量建造的核反应堆使用的是裂变核燃料铀235和钚 239。
各向同性，抗辐照稳定性好。
3. 与水和包壳材料的相容性好。
4. 热中子俘获截面极低(＜0.0002 barn) ；
UO2的晶体结构
与金属铀相比的不足
1. 密度较低, 10.9g/cm3
2. 导热率仅为金属铀的十几分之一，温度梯度大
3. 质脆且硬，由于大温度梯度造成的热应力而开裂。
O/U比状态图
可见，陶瓷二氧化铀虽有不足之处；但其优良特性仍是主导 的一面，目前动力堆广泛用它作为核燃料。
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核燃料—固体核燃料—陶瓷型核燃料
陶瓷型核燃料主要是二氧化铀(UO2)、碳化铀(UC)及氮化铀(UN)，其中二 氧化铀是应用最广、研究最深入的一种。
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UO2燃料的性质
压水堆主要是用二氧化铀瓷型核燃料，优良特性：
1. 熔点高: 2865℃
2. fcc 结 构 (CaF2 结 构 ) ， 在 熔 点 下 无 晶 型 转 变 ，
核能及其燃料
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1.核能
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核能是不可再生能源。 核能是可持续发展的能源。
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什么是核能（ nuclear energy）
核能（或称原子能）是通过核反应从原子核释放的能量，符合爱因斯 坦的质能方程E=mc² 。
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核反应形式
轻核聚变是指在高温下(几百万度以上)两个质量较小的原子核结合成 质量较大的新核并放出大量能量的过程，也称热核反应。由于原子核间 有很强的静电排斥力，因此在一般的温度和压力下，很难发生聚变反应。 核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行，故称为"热核聚变反应"。 相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原 料可取自海水，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。
核燃料—固体核燃料—弥散型核燃料
弥散型燃料 将燃料颗粒弥散分布在导热性好 的基体中
弥 散型 燃料 是将 UO2或 UC 等 陶瓷 核燃 料颗 粒均 匀地 和 非裂变基体材料(金属、非金属或陶瓷)混合后，经粉 末冶金法压制后烧结而成。基体特性要求：
中子吸收截面小，抗辐照能力强；
导热率高，热膨胀系数ຫໍສະໝຸດ ，并与燃料颗粒的热膨胀系数相当；放出α粒子的衰变叫做α衰变；放出β粒子的衰变叫做β衰变。 地热来源主要是地球内部长寿命放射性元素（主要是铀238 、铀235 、 钍232 和钾40等）衰变产生的热能。地热是一种取之不尽、洁净的能源。 现在，世界上许多国家已利用地热取暖、育种、发电等。
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核反应形式—核聚变
脆，密度也变小。
c) 金属铀在高温水中的抗腐蚀和抗辐照性能
都较差。 2020/7/17
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UO2粉末制备
ADU（铀酸胺盐 (NH4)U2O7）流程 AUC （ 三 碳 酸 铀 酰 胺
(NH4)4[UO2(CO3)3]）流程 IDR流程
ADU法工艺流程图
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UO2芯块制备
在运行温度范围内无相变，并应有足够的蠕变强度和韧性；
对燃料、燃料包壳和冷却剂的相容性好。
可作为基体相的材料: (PWR常用Zr－2)
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金属材料铝、锆、钼和不锈钢等；
弥散型燃料的特点
弥散型核燃料成本较低，物理和机械性能较好，燃耗 也较高，并且燃料类型可以多样化，有利于开扩核燃 料的应用范围
2）聚变核燃料:氘和氚是能发生核聚变的核燃料，又称聚变核燃料。 氘存在于自然界，氚是锂6吸收中子后形成的人工核素。核燃料在核反 应堆中“燃烧”时产生的能量远大于化石燃料，1千克铀235完全裂变 时产生的能量约相当于2500吨煤。
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核燃料的分类
固体燃料金属型、弥散型燃料、陶瓷型、
3 ．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。
4．核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低发电成本较其他 发电方法为稳定。
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核能发电
缺点
1．核能电厂会产生高低阶放射性废料，同时核电厂的反 应器内有大量的放射性物质，对生态及民众造成伤害。 2．核能发电厂热效率较低，故核能电厂的热污染较严重。 3．核能电厂投资成本太大。 4．兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。
铀是一种致密的、具有中等硬度的银白色金属，熔点1133℃，在熔点 以下有三种同素异构体
优点：密度高（>18g/cm3），导热率高（相对于UO2），工艺性能好， 易于加工成型，导热性好，但使用温度低于450oC，铀的核密度高， 导热性能好。缺点是燃料的工作温度低化学活性强，
缺点：相变、各向异性、辐照肿胀、性质活泼、化学稳定性差，在常 温下也会与水起剧烈反应而产生氢气， 在空气中会氢化，粉末状态 的铀易着火。在高温下只能与少数冷却 剂相容。
1）核衰变：指原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化过程。 2）核裂变：指重核分裂成两个或几个质量相差不大的部分的过程。 3）核聚变：指较轻原子核聚合成较重原子核的核反应过程。
核裂变、核聚变是两条主要途径。聚变反应放出的核能较裂变反 应大很多。
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核反应形式—核衰变
在目前人类发现的两千多种原子核中，绝大多数的原子核是不稳定的， 它们在自发的、缓慢的变成新核的过程中放出能量。地球内部巨大的热 能就是地球在漫长的演化过程中，由岩石中所含的铀U、钍Th、镭Ra等放 射性元素衰变中释放的能量积累而来。
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核能发电的特点
优点
1．核能发电不会造成空气污染，不会产生加重地球温室效应的二 氧化碳。
2 ．燃料储量丰富。核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为490 万吨和275万吨，足可以用到聚变能时代。轻核聚变的燃料是氘和锂， 地球上海水中有40多万亿吨氘，地球上的锂储量有2000多亿吨，锂可 用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。
辐照损伤只限于弥散相附近，对基体的影响较小，当燃耗逐渐 加深时，燃料元件的肿胀小，因而提高了燃料元件的寿命。
以金属相为基体的弥散型燃料有较高的导热率；
金属基体有良好韧性，加工性能好，如不锈钢基体的核燃料可 轧制成板状高功率密度元件，已用于美国军用装配式动力堆。
但是，由于弥散型核燃料中的裂变物质含量低，故需 采用高浓度铀原料。
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燃料组件制造
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核反应形式—核聚变—氘氚原子核的聚变反应
氢弹是利用氘氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量起杀伤破坏 作用，正在研究可控热核聚变反应装置也是应用这一基本原理，它与氢 弹的最大不同是，其释放能量是可以被控制的。
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核反应形式—核裂变
重核裂变是指一个重原子核，分裂成两个或多个中等原子量的原子核， 引起链式反应，从而释放出巨大 重核裂变的链式反应的能量。
(1) UO2粉末压制成型
将松散的粉末压制成具有一定形状、尺寸、密度和强度的坯块