核燃料的消耗转化与增殖

      核燃料的消耗转化与增殖达到临界的反应堆可以实现自续链式反应,不断地释放出裂变能。这一过程也是核燃料的消耗过程。然而,由于堆内存在大量中子和铀-238原子核,通过铀-238对中子的俘获,新燃料钚-239 原子核将被生产出来。如果反应堆中新生产出来的燃料的量超过了它所消耗的核燃料,那么这种反应堆就称为增殖堆。显然,利用增殖堆就可以源源不断8核安全专业实务 地把本来不适合做核燃料的铀-238转化为核燃料,实现对铀资源的充分利用。下面我们简单讨论一下核反应堆内核燃料的消耗速率和燃耗深度问题、核燃料转化过程中的转化比问题以及在什么条件下可以实现核燃料的增殖。

      产生核能需要消耗核燃料。一个铀-235核裂变可以释放出200MeV的能量,相当于32x10-。因此1MW的功率相当于每秒钟有312x1016个铀-235核裂变,每日有270x1021个铀-235核裂变,相当于105g铀-235。这就是说反应堆每发出1MWd的能量需要1.05g铀-235裂变。考虑到在裂变的同时必然有一部分铀-235由于发生(n,y)反应而浪费掉(对铀-235,其o=583靶,a-101靶),因此发出1MWd的能量实际上要消耗的铀-235为:1.05gx(o+o)/o=105gx(583+101)/583~1.23g记住这个数据是非常有用的,可以使我们能很快地估算出核反应堆需消耗燃料的数量。如清华大学的5MW低温核供热堆,如果满功率供热1d,消耗铀-235仅需6g。电功30万kW的泰山核电厂,每天消耗的铀-235大约是lkg。如果考照在运行过程中产生的钚也能为产生能量做出部分贡献,那么铀-235的消耗量还会更小一点。

      堆中的核燃料能否全部燃烧完呢?结论是不能全部烧完的。有两个因素影响着核然料的燃耗深度。第一,随着可裂变核的消耗,反应堆的有效增殖系数K有务会不断下降。当K有降到1以下时,堆就不能达到临界了,当然也不能再燃烧了。第二,反应堆运行时,燃料元件处于高温、高压、强中子辐照条件下,元件包壳会受到一定损伤。为防止包壳破损导致的放射性进入冷却剂,燃料元件在堆中放置的时间是受到严格控制的。由干上述两个因素的影响,在元件中尚剩有不少铀-235(以及运行中生成的钚-239)时,就不得不换料了。反应堆中核燃料燃烧的充分程度常采用燃耗深度这一物理量来衡量。在动力堆中,它被定义为堆芯中每吨铀放出的能量,其单位是 MWd/t 铀。需注意的是,这里指的铀,包括铀-235和铀-238,并非只是铀-235。

      目前的商用、军用动力堆都是采用铀-235作核燃料的。天然铀中大量存在的铀-238并不能作为核燃料来使用,因为热中子不能使其裂变,快中子虽然能引起铀-238核裂变但裂变截面太小。幸好,铀-238 俘获中子后口以变成易裂变同位素钚-239。反应堆内的强中子场为铀-238转换成核燃料提供了良好条件。为了描述各类反应堆在核燃料转换方面的能力,引入一个称为转化比的量,记为 CR,其定义是:

CR-(易裂变核的平均生成率)/(易裂变核的平均消耗率)。



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