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核燃料知识


发布者:bbin直营现金网 日期:2021-01-25 04:19


  在实际情形中,有两种不同类别的钚要考虑:反应堆级别的和武器级别的。第一种级别是作为核反应堆乏燃料的副产物回收得到的,这一过程中燃料被辐照大约3年时间。第二种级别专门作为军事用途,在生产钚的反应堆中铀燃料被辐照2-3个月之后得到钚。两种级别在同位素组成方面大不相同,但是它们都有潜在增殖风险。

  无论是反应堆级别的还是武器级别的的钚,对与核燃料循环来说它们都是宝贵的资源。在传统核反应堆中,1千克钚-239产生的热量足够用于产生一千万千瓦时的电。

  钚由核反应堆中的铀产生。在进行反应堆操作时,1000兆瓦电力的核反应堆包含装有几百千克的钚的铀燃料。

  与其他重元素一样,钚有很多同位素,它们的原子核有不同中子数目。由于钚的15种同位素在某种程度上都是不稳定的,所以它们全都具有放射性,都能够发生衰变,放出粒子和一些伽马射线。

  所有钚同位素都能与快中子发生裂变反应,尽管只有两种是易裂变核素(与慢中子反应)。由于这个原因在快中子堆(FNR)中钚的所有同位素都显得尤为重要,而在传统轻水堆中只有钚-239起主导作用。

  在核反应堆中形成的最常见同位素为易裂变的钚-239,它是通过铀-238发生中子俘获再发生β衰变产生的,钚-239能与铀-235裂变产生几乎一样的能量。在轻水堆(LWR)中,堆芯处产生的钚有超过半数在原处就作为燃料“燃烧”了,这一过程能产生约三分之一的总热量。对于剩下的钚,六分之一通过中子俘获成为钚-240和钚-241。大约1.15%的钚作为乏燃料从工业轻水堆(燃耗为42 GWd/t)中被移出,其中包括53%的钚-239,25%的钚-240,15%的钚-241,5%的钚-242,以及2%的钚-238,它们是主要的热源和放射源。早些年前(到1964年)用来生产军用钚的英国镁诺克斯合金反应堆其燃耗为0.4 GWd/t。

  钚-240是第二常见的钚同位素,由钚-239发生中子俘获形成。在核燃料中钚-240的浓度平稳增加,原因是钚-240与钚-239不同,它不经历裂变产生能量。(在快中子堆中,钚-240是可裂变物质,这意味着这样的反应堆能够比轻水堆更有效地利用回收得到的钚。)与反应堆中发生的裂变数量级不同,钚-240与中子发生较高速率的自发裂变。这使得反应堆级别的钚完全不适用于中。反应堆级别的钚定义为钚-240浓度为19%或更高,反应堆级别的钚也叫做“民用钚”。

  钚-238,钚-240和钚-242通过原子核自发裂变产生一部分中子,但是自发裂变的速率很低。这些核素与钚-239一样也发生衰变,放出α粒子和热量。

  一个1000兆瓦电力的轻水反应堆一年会产生25吨核废料,其中包括290千克的钚。如果钚是从反应堆核废料中提取,它能在常用燃料中用作铀-235的替代品,发生裂变的主要是钚-239,钚-241也有所贡献。为了回收钚,核废料经过处理,重新获得钚的氧化物,它们与贫化铀的氧化物混在一起生产混合氧化物燃料,其中钚-239的浓度约为8%。

  钚也能用在快中子反应堆中,在快堆中所有的钚同位素都发生裂变,因此钚就是快堆中的燃料。与铀一样,在快堆中钚的潜能得到充分认识。六项正在发展的第四代反应堆设计中有四项是快中子堆。在这些反应堆中,钚会在燃耗较高的堆芯中产生,除了钚-239之外的钚同位素的比率会保持在较高水平。

  在商业核电站和研究应用中,钚通常以钚的氧化物的形式(PuO2)存在的,它是一种在水中拥有极低溶解度和高熔点(2,390 ºC)的稳定陶瓷材料。纯钚有六种同素异形的形式或晶体结构,比其他任何元素都要多。当温度发生改变时,它会改变结构,每一种都有不同的机械特性和电特性。其中一种的密度是铅(19.8 g/cm3)的两倍。在640°C时它会熔化成具有腐蚀性的液体。α相很硬很脆,与铸铁类似,如果把它分离出来它会在空气中燃烧成PuO2。β、γ和δ相密度均比α相小。如果将钚与镓制成合金,钚就变得更容易加工。

  尽管在化学上有毒性,还有电离辐射作用,钚却远非地球上的最毒物质,也并没有达到很少量就能置人于死地的地步。从这两点来看在日常生活中有一些物质有比钚的化学毒性(砷、氰化物、咖啡因)和辐射毒性(烟雾探测器)更强。

  钚的摄取不是一种很危险的情形,因为钚很难被胃肠道吸收,而且在钚造成危害之前它就被身体排出了。

  尽管成千上万的人在工作中与钚打交道,但是外伤感染还是很少发生的。通过远程操作、防护服和大范围的健康监测程序,这些人员的健康得到保护。

  钚对健康的主要危害来自吸入。虽然像钚这种重金属很难弥散在大气中,但是一些类似于二氧化钚的物质,在尺寸小于10微米的时候就是比较危险的。一旦吸入,很多物质立即就被放出,或与其他微粒物一起通过支气管系统的粘液进入到胃肠道。有一些会很容易发生转移,先是到血液或是淋巴系统,随后到身体的各个部位,尤其是肝脏和骨骼。钚的持续α辐射最终会导致癌症。

  钚-239的危害与其他被人体吸入的发生α辐射的放射性核素是相似的。它比短寿命、强放射性的核素危害性要小,比如氡的子代衰变产物氡气,它们在环境中很常见,分布也较为广泛。

  在20世纪40年代在美国核武器工厂工作的26名工人受到了钚污染。这些工人的健康检查显示没有造成很严重的后果,也没有发生死亡。在20世纪90年代,钚被注射和吸入到一些志愿者体内,也没有发现很严重的后果。钚是一种有毒物质,需要小心处理,但是我们需要对其危险性有正确的认知。


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