钍铀循环 钍燃料 钍燃料-钍─铀核反应,钍燃料-钍燃料循环

随着核电的发展,核燃料需求量的增大,寻找其它可利用的核燃料是十分必要的。钍一直被认为是一种潜在的核能资源,各国在钍资源核能利用方面开展了大量研究开发工作。我国钍资源核能利用虽然取得了一些成绩,但与美国等相比还存在较大差距,还需加大对这方面的研发力度。为此,国家能源局于2008年12月11日组织召开了"钍资源核能利用专家研讨会",会议由国家能源局局长张国宝主持,财政部、科技部、中科院、中国工程院等部门和专家参加了会议。会议对我国当前钍资源核能利用的重要性和迫切性、现存问题及应对措施进行了探讨。

核能发电目前是以铀-235为主要原料,铀含量高的矿藏正在急遽下降。能取代铀-235的核燃料之一是铀-233,但它在自然界并不存在,得要从钍-232来制造。

钍燃料_钍燃料 -钍─铀核反应

核能发电是能源危机中的新宠,但由於核分裂反应器所使用的低价位铀正不断地大量使用,预估将於本世纪末耗尽,届时势必被迫使用经济价值较低的高价位铀,并建立更多的提炼工厂,如此将提高发电成本。

在新能源尚未开发成功前,解决之道尚可引用快中子滋生炉(breeding reactor),由再处理而得的239Pu,它可适用於快中子反应器,如此缓和了一部分天然铀的需求量。另一方法,即利用钍来滋生,由於钍矿的蕴藏量较铀矿丰富,在地球上的埋藏量约为铀之3~5倍,且较便宜,而更重要的是在热中子反应器中,可以产生可分裂的233U。另一优点是,在变更轻水炉的设计时,较为简便。不但可以降低铀的需求量,达更好的利用率(约增大50倍),减少分离工厂的设立,另可延长反应器的使用年限,降低发电成本。

钍─铀核反应

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钍─铀核反应在三种易裂燃料233U、235U、239Pu中,只有235U是天然存在,且在一般的轻水式反应炉(light water reactor,LWR)须使用低浓缩铀(2~5%),而233U、239Pu则分别由232Th、238U吸收一中子後转化而来,图一表示了232Th转化成233U的过程。

在转化过程中,最主要的是:

此转化的最大优点在於钍矿中,钍全以232Th存在,很少有别的同位素,不需浓缩且提炼较铀简单;另一特性乃钍在作为反应器燃料时,以金属态存在,易於加工,而ThO2比相当的铀化合物可耐更大的辐射剂量,即可允许更大的中子通率,使功率密度更大。所形成的233U,其η值(每吸收一中子所放出的平均中子数)较235U大(在任何中子能量),而当中子能量小於40KeV时,亦较239Pu大(见附表),使得233U在热中子反应器中,为唯一最有希望产生滋生反应的核燃料。不过239Pu在快中子反应器中,则有些性质较233U为优。

钍燃料_钍燃料 -钍燃料循环

一、矿的提炼:钍资源中产量最多的矿物为独居石(monazite),一般钍含量为1~15%。首先将独居石以硫酸或氢氧化钠溶解,加以过滤、沉淀,再以硝酸溶解,最後以有机溶剂萃取出来成硝酸钍,但因在矿石中常与某些具极大捕获截面的稀土元素如Gd、Sm、Eu、Dy等并存,故需加以精炼,主要使用有机溶剂萃取法,接著使用离子交换法,以制成核子纯度级的钍。
二、进料:一般以Th(NO3)4.4H2O作为原料,另再加上一些浓缩铀、239Pu或233U,作为最先维持连锁反应的可裂原料。
三、燃料元件的制造:将进料转变成所希求的化学化合物,如ThO2或ThC2,再混合制成ThO2-UO2或ThC2-UC2的燃料丸或燃料棒,而後装入合适的护套中,如Zircaloy-2或铝合金,组合成燃料元件。
四、反应器中的辐射照射:在必要的试验及检查後,将元件放入炉心照射,在燃耗掉可裂物的过程中,利用过剩的中子将钍转化成233U,经足够的照射後,取出燃料,将之冷却。
五、冷却:核燃料元件在反应器内使用期间通常约为三~四年,然後移出,由於分裂产物的高放射性,故暂时置於水池内冷却三~四个月,让分裂产物中半衰期较短的放射性核种衰变,然後再装入坚实屏蔽的钢桶中,运往燃料再处埋厂,虽然经过冷却,但於再处理过程中,仍需以重元素来屏蔽这些照射过的燃料。
六、照射过燃料运送:装运用过核燃料的钢桶是经小心设计的容器,须符合国家原子能法规的种种试验,为的是在运送过程中,不使照射过燃料外

  

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