不懂就问：核反应堆里的铀燃料消耗问题

晨枫

不懂就问：核反应堆里用控制棒控制反应，插入控制棒、吸收中子时，铀燃料消耗降低，但这对剩余铀燃料的寿命或者说“燃值”有印象吗？还是这些铀燃料就被“废了”？

  T* r# n# l4 c0 a4 w希望不是，控制棒抽出后又满血复活。

) m( H7 [: z3 A1 O: F0 h想起来这问题是因为钍堆。
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我的理解：

钍燃料主要是钍-232，本身不会发生裂变。当钍-232吸收中子时，就变成钍-233，其半衰期只有22分钟。钍-233通过β衰变变成镤-233。原镤-233的半衰期为27天，β衰变为铀-233。铀-233是裂变材料。
6 Y' |) X; n% |- e9 B
  @$ _  ]# z6 S问题：
! l) ^! \. Y, F7 A) s" ^6 @6 X$ _3 ]
# i# B" H; ~% I; ~产生铀-233后，如果能及时分离，用控制棒停止裂变，直到需要的时候再抽出控制棒，加速裂变，就像普通铀堆那么，这可行吗？当然，如果控制棒使得铀-233永久性“失活”，这就不行了。

, Q! H; ~. R5 ^所以有这个问题，T教授是核能专家，所有懂行的都请不吝赐教。
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- N( }7 F. c5 }@testjhy

nukearchie

以我20年前在728短暂3年的经验， 不会，因为是中子被吸收了，不去撞原子核了，反应常数降下来了。原子核还在，还可以烧。

晨枫

nukearchie 发表于 2023-12-20 19:15
以我20年前在728短暂3年的经验， 不会，因为是中子被吸收了，不去撞原子核了，反应常数降下来了。原子核还 ...

9 {% H5 J9 j1 A+ T8 r" R3 t那如果技术上可行，钍232最终衰变为铀233，存起来，用控制棒慢慢控制燃烧，到需要的时候再猛烧，是可行的？那就没有钍堆不利于快速加减负荷的问题了。

无言

可能关键点是如何“及时分离”？中途停止反应燃料棒大概率是钍镤铀混合最终为钍铀混合？

晨枫

无言 发表于 2023-12-20 20:20
! F1 I7 i. I  \$ x7 F  d% V可能关键点是如何“及时分离”？中途停止反应燃料棒大概率是钍镤铀混合最终为钍铀混合？ ...

1 |( m$ E' a5 Z" O这个我就不懂了

testjhy

哈哈，我也是半吊子，唯一的优势我出席过钍基堆的情况介绍会，当然有小10年前？有些过程不一定记清楚了。当时的名称前面有“加速器驱动”这样的字样。可能晨大现在看不到这样的介绍，反应堆物理过程不一定很清楚。我理解是这样的：钍基堆用质子加速器轰击铅产生中子，中子轰击钍经过系列嬗变生成U233产生裂变释放热量。我记得融盐堆U233无法维持自我循环，所以要不要控制棒都两说，控制应该在加速器端产生中子的密度和能级。从运行机理来看，反应堆中的核燃料就是钍和铀233的混合物，不应该把两者分离出来吧？铀233分离出来也没啥用，反应堆持续运行添加钍盐就行了。

密银

testjhy 发表于 2023-12-21 12:00
2 E% C  N. ~" F4 R1 k" s哈哈，我也是半吊子，唯一的优势我出席过钍基堆的情况介绍会，当然有小10年前？有些过程不一定记清楚了。当 ...

9 E2 y) G3 B  U' k( S2 @+ U就是说可以用中子加速器控制功率

testjhy

密银 发表于 2023-12-21 12:09
就是说可以用中子加速器控制功率

& _: W5 @! v& G7 D  q对，即使加速器突然故障拚命大功率产生高密度中子，因为嬗变过程时间很长所以中间也可以人为卸载一些燃料或者其它技术措施降低铀233的浓度，半吊子想像的，

晨枫

testjhy 发表于 2023-12-20 22:00
/ k5 S; c2 D3 P. O哈哈，我也是半吊子，唯一的优势我出席过钍基堆的情况介绍会，当然有小10年前？有些过程不一定记清楚了。当 ...

也就是说，加速器轰击停止了，钍堆就停止了？这好啊，本质安全。
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* {0 Y$ d8 l! H: F5 l7 c* F3 I: n网上看来的：钍232不参加裂变，需要吸收中子后变成钍-233，其半衰期只有22分钟。钍-233通过β衰变变成镤-233。原镤-233的半衰期为27天，β衰变为铀-233。铀-233是裂变材料。前面两个β衰变的放热量很小，没啥大用，要到铀233裂变时才大量放热。由于两个β衰变的半衰期，加钍燃料到变成铀233要27天后了，所以不变快速加减负荷，于是有把铀233存起来的想法。
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8 d. ~/ F: p# P1 h$ Q5 u, L% mT教授再给指点指点，这是不是舍近求远了？

testjhy

晨枫 发表于 2023-12-21 13:26
# A1 u, ~+ k4 R! X" L/ h" G8 X, U也就是说，加速器轰击停止了，钍堆就停止了？这好啊，本质安全。
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4 Y3 S+ }& S" @4 G网上看来的：钍232不参加裂变，需要吸 ...

您看，钍和铀分子量就差这么点，如果没有好的化学方法，分离两种带放射性物质可能付出极高的成本。把钍堆看成发酵罐算了，就是首次启动时间可能要1个多月，或者预先用加速器做锅浓汤给反应堆加料(有放射性问题)，好象没有其它必要。

沉宝

晨枫 发表于 2023-12-21 13:26
也就是说，加速器轰击停止了，钍堆就停止了？这好啊，本质安全。

网上看来的：钍232不参加裂变，需要吸 ...

晨大和T教授着眼于不同的应用场景，其实现复杂度也相差很大。

T教授讲的是面向像发电这样固定负荷，因此铀-233随时生产随时消费，理论上有一个堆芯就可以把活全干了。晨大想的是像轮船这样的变负荷，所以有了把铀-233存起来的想法，但由此钍堆的一些优势也就不存在了。首先安全性，把铀-233存起来与保存铀-235类似，因为两者都可以发生自发裂变，历史上美苏也都有过用铀-233做核武器的尝试。

能够存储铀-233的钍堆至少要有三大部分：钍中子照射区、铀存储单元和铀反应堆。在船上做钍铀分离很难，好在后两个模块用钍铀混合物也问题不大。如果工质为流体（例如熔盐），不同模块之间可以用泵来传输，那么比之于传统的固态燃料棒要方便很多。例如在中子照射区可以通过流速来控制钍接受到的中子量（多吸收一个中子，最后出来铀-234就废了）。然后流入许多用中子吸收材料制成的小罐中贮存（小罐确保不超过临界体积，对映常说的临界质量）。需要做功时再汇流入反应堆（大罐），与传统核反应堆一样，也需要用控制棒控制反应。当钍铀混合物中的铀-233差不多烧光了，尾液可以回流中子照射区。当然，这次的中子处理时间不一样了，因为钍在反应堆中已经吸收一定量的中子了。
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4 L" c' g3 g% b6 S3 T  Q如果说T教授所说的钍堆尚在试验阶段，那么晨大的钍堆就属于星辰大海了

晨枫

沉宝 发表于 2023-12-21 02:13
晨大和T教授着眼于不同的应用场景，其实现复杂度也相差很大。

# K+ O" s$ i" {0 VT教授讲的是面向像发电这样固定负荷，因此 ...

+ X, F: W7 {" T3 Q" N1 ^# v0 j长知识了！

* B* K2 y  w. b9 u; _7 l9 {+ o5 q江南的核动力集装箱船不知道是怎么弄的。也需要变功率，但一旦开起来，差不多就是定常速度，直到到港。

晨枫

testjhy 发表于 2023-12-21 00:50
* Y: ]: l* ?, H- a, k; ?您看，钍和铀分子量就差这么点，如果没有好的化学方法，分离两种带放射性物质可能付出极高的成本。把钍堆 ...

4 y7 w5 v) x, Q; d6 G  p8 t4 E嗯，看来钍堆上舰还是有问题。

testjhy

真的是半吊子，，吃完晚饭没事找了在网上一圈，上面好多错误，沉宝兄弟说的对，U233也不是不可以做核武器，除了美苏外，据说三哥也试验过，不过太难了，生产U233过程中会伴生U232，只要有微量的U232就容易通过高能γ射线产生中子裂变早炸，去除U232过程太难成本很高，于是这条路线被放弃。

如果看到上面的图，U233做原子弹的理论性能比U235还好。
9 s  @$ j% ?; t" D; D; M在百度百科融盐堆2.12节中有在线提炼U233的。

testjhy

testjhy 发表于 2023-12-21 22:22
真的是半吊子，，吃完晚饭没事找了在网上一圈，上面好多错误，沉宝兄弟说的对，U233也不是不可以做 ...

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晨枫

testjhy 发表于 2023-12-21 08:22
真的是半吊子，，吃完晚饭没事找了在网上一圈，上面好多错误，沉宝兄弟说的对，U233也不是不可以做 ...

图转不出来啊，烦请T教授修一下？

晨枫

testjhy 发表于 2023-12-21 09:12

这就是上面转不出来的图吗？现在看到了。多谢！

testjhy

晨枫 发表于 2023-12-21 23:14
这就是上面转不出来的图吗？现在看到了。多谢！

是的，另外，是不是b站在监视我键盘输入？刚刚给我推荐了钍Th 宇宙中最原始的核素之一，未来将替代铀的核燃料，，里面有纯钍的样子。

数值分析

testjhy 发表于 2023-12-21 23:44
9 j" L* Q( Y0 v; C; Q是的，另外，是不是b站在监视我键盘输入？刚刚给我推荐了钍Th 宇宙中最原始的核素之一，未来将替代铀的核 ...

$ Q6 G2 M: d4 y2 l9 f# u5 U! J可能最近钍堆话题有热度？

沉宝

晨枫 发表于 2023-12-21 22:19
1 u  q" L( V6 z; R( \% S长知识了！
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! L0 s% V; G  S$ G; J江南的核动力集装箱船不知道是怎么弄的。也需要变功率，但一旦开起来，差不多就是定常速度， ...

4 @: m, g; X# b4 B2 O) g1 T对，民用船只的负荷变动较小。在不需要动力时，可以考虑存起来一些（蓄电池充电、制氢……）或送出去（到港发电给码头？？）。最不济就浪费掉，毕竟运输船的排期都安排的很满，船主恨不得让船一年365天都在海上跑路。