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广东凉茶

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从85年开始投身教育, 教书育人已经二十多年, 也可以说是桃李满天下了。 可不知为什么, 越教越感到困惑!

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【原创】浅析锆水反应  

2011-03-25 23:08:52|  分类: 教学资料 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自化学教研组《【原创】浅析锆水反应》

 广东凉茶

浅析锆水反应

 文:广东凉茶    图:来源于网络

 

       在日本核危机中多次提及到一个化学反应——锆水反应,这是一个怎样的反应?与现行中学化学教学有何联系?它在这次核危机中扮演了怎样的角色?作者在网上匆匆查询了一些资料,找寻了其与中学化学教学中要求学生掌握知识之间的关系,并设计出了相关的试题。

 

      名词解释

 锆水反应(zirconium-water reaction):在压水堆丧失冷却剂事故的某个阶段,燃料元件棒束未被冷却剂液体浸没而处于裸露状态时,高温锆合金包壳与蒸汽发生的伴随有放热并产生氢气的剧烈化学反应。 (本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布)

百度百科(http://baike.baidu.com/view/3825268.html?fromTaglist)

 

 日本强烈地震引发核危机 

       2011年3月11日13时46分,日本东部海底发生里氏9.0级特大地震。地震发生后,福岛第一核电站的1、2、3号机组和第二核电站的全部4个机组均成功实现“停堆”;事发时,第一核电站另外的4、5、6号机组处于定期检修状态。在停堆后,核燃料棒仍然放出大量自衰变热量,需要继续进行冷却,直至实现“冷温停止”的稳定状态,所以在“停堆”后核电站的应急柴油发电机启动以维持冷却水循环。但不幸的是,在一个小时后,海啸带来的洪水淹没了柴油发电机,导致水泵缺乏电力供应,第一核电站的1、2号机组和第二核电站的1、2、4号机组丧失冷却功能。 广东凉茶

锆水反应(编辑中,尚未完成,抢先发布) - 化学教研组 - 南昌市实验中学化学教研组

资料图:福岛第一核电站

       这一故障,导致反应堆压力容器内水温、压力上升,混凝土安全壳内蒸汽压力上升。晚上19时许,日本首相菅直人发布“核能紧急事态宣言”,疏散福岛第一核电站为中心半径3公里之内的居民,同时要求3公里至10公里的居民不要外出。

       福岛第一核电站1号机组从12日凌晨起释放蒸汽,避免安全壳因压力过大损坏。这一措施导致了微量核泄漏,上午10时测得的福岛第一核电站正门核辐射浓度是7时40分的73倍。菅直人下令,12日凌晨5点44分起,建议居民疏散范围从第一核电站半径3公里以内扩大至10公里,15日下午,日本政府将第一核电站疏散隐蔽半径扩大至30公里。

       自12日来,福岛第一核电站4个机组接连发生爆炸,核泄漏情况加剧。

网易新闻,《错与罚:检讨福岛核救援》(http://war.news.163.com/special/nucleardianzhan/)

 

 多次爆炸的回顾

 新华网东京3月12日电:东京电力公司12日说,当地时间15时30分左右,福岛第一核电站1号机组建筑物内传出爆炸声,随后屋顶坍塌,事故导致4人受伤。初步认定是冷却用氢气爆炸,事故的详细情况正在进一步调查中。而此前1号机组的反应堆容器内的蒸汽已被释放,容器内的气压已经开始下降,因此容器本身发生爆炸的可能性已经减小。

新华网,《日本福岛第一核电站爆炸初步认定为氢气爆炸》(http://news.xinhuanet.com/society/2011-03/12/c_121179988.htm)

 

       新华网快讯:日本经济产业省原子能安全和保安院14日宣布,福岛第一核电站3号机组当地时间11时01分发生氢气爆炸,反应堆所在建筑遭到损坏,但放置反应堆的容器没有损坏。保安院呼吁周围居民尽量待在室内。

新华网,《福岛第一核电站3号机组发生氢气爆炸》(http://news.xinhuanet.com/world/2011-03/14/c_121184608.htm)

锆水反应(编辑中,尚未完成,抢先发布) - 化学教研组 - 南昌市实验中学化学教研组

 当地时间3月14日,卫星图显示日本福岛第一核电站爆炸现场。

      

       中新网3月15日电:据共同社报道,日本政府表示,当地时间15日6时10分左右,福岛第一核电站2号反应堆附近传来爆炸声。早些时候的报道指出,福岛第一核电站2号反应堆容器出现部分破损,这表明可能导致更为严重的核泄漏。日本内阁官房长官枝野幸男早前在记者会上称,2号反应堆用于盛装冷却水和控制内部气压的容器底部“抑制池”出现部分破损。

    中国新闻网,《日本政府称福岛第一核电站2号反应堆传来爆炸声》(http://www.chinanews.com/gj/2011/03-15/2905601.shtml)

 

       中新网3月15日电:据共同社最新消息,日本福岛第一核电站四号机组当地时间15日中午12时左右发生爆炸。据称,这是一次与一、二、三号机组类似的氢气爆炸。日本官房长官枝野幸男15日早些时候在记者会上说,第一核电站的四号机组起火,放射性物质辐射量有所上升。

    中国新闻网,《日本媒体称福岛第一核电站四号机组发生氢气爆炸》(http://www.chinanews.com/gj/2011/03-15/2906639.shtml)  

广东凉茶

       据法新社报道,日本福岛第一核电站工作人员19日在5号和6号机组顶部钻出3个3厘米到7.5厘米的洞,防止再次发生氢气爆炸。

中国新闻网,《日本核电站机组顶部钻洞 防止再次发生氢气爆炸》(http://www.chinanews.com/gj/2011/03-19/2917237.shtml)

 

       专家分析爆炸原因

 福岛第一核电厂这几个机组都处于非常严重的状态。比较万幸的一点是,核电站的控制系统在这么强的情况下还起作用,在运行的七个机组全部停下来。停止以后,反应堆还继续释放大量的热量和通过其他形式释放,以至于必须把热量及时的倒出来,不然温度升高,可能在一定程度上引起燃料爆炸。

9.0级的大地震把一部分安全系统破坏了,起码是安全应急冷却系统破坏了;10米的海浪把一些应急柴油发电系统也毁坏了,这些系统是在应急状况下给反应堆冷却提供动力的,应该启动的启动不了。怎么样及时冷却,这有一定的困难。

 日本采取措施,给反应堆降压,通过阀门把里面的蒸汽放出来,放出来的同时,蒸汽出来后反应堆里的水位也降低了,一部分燃料就露出来了,因为反应堆里的温度压力很高,反应堆里的燃料棒是用锆做包壳的,锆跟水在高温下面发生强烈的锆水反应,形成氧化锆和氢气,氢气随着其他气体从反应堆里出来,所以氢气到了厂房里。氢气有一个特点,它的浓度到一定程度以后,4%或者更高一点会爆炸。 

 氢爆炸是在比较高的温度得到冷却的情况下发生的,这从个意义上讲,压水堆和沸水堆一样,大部分压水堆和沸水堆都是用锆合金作为燃料包壳的,同样水也是一样的。

 氢爆炸与核反应堆爆炸绝对不是一个概念,这次爆炸是由于燃料原件产生强烈的锆水反应,放出氢气,然后氢气聚集到一定程度以后产生爆炸。为什么发生二次爆炸?因为锆水反应还在继续,所以氢气到一定程度会爆炸。 

 赵成昆(中国核能行业协会副理事长、专家委员会常务副主任),《日本核电站氢爆炸源于燃料原件所产生强烈的锆水反应》、《氢爆炸和核泄露并不是一回事》人民网-能源频道 2011年03月15日(http://energy.people.com.cn/GB/14150237.html、http://energy.people.com.cn/GB/14150344.html)

 

 早在事故发生前学者们就已进行过深入研究 广东凉茶

 在严重事故下,压水堆核电站丧失衰变余热排出手段后,堆芯燃料温度持续上升超过1300K时,锆合金包壳将与水或水蒸气发生强烈化学反应,产生大量氢气。堆芯内产生的氢气会通过主回路压力边界或压力容器的破口释放到安全壳中,在产生源附近或与安全壳内的空气混合后可能发生燃烧或爆炸。氢气的燃烧或爆炸会对安全壳完整性构成严重威胁,造成放射性物质泄漏到环境中。

 研究发现,压水堆核电站严重事故下锆合金包壳与气态水发生锆水反应:Zr + 2H2O = ZrO2 + 2H2 

 吕雪峰、陆道纲、刘滨(华北电力大学核科学与工程学院),《压水堆核电站锆水反应微观机理》,《原子能科学技术》2010年3月第44卷第3期209-303页(http://www.aest.org.cn/qikan/manage/wenzhang/2010-03-09.pdf)

 

 日本福岛核电站工作原理和核泄漏防护原理

锆水反应(编辑中,尚未完成,抢先发布) - 化学教研组 - 南昌市实验中学化学教研组

 资料图:福岛第一核电站 

 日本福岛第一、第二核电站的所有10座核反应堆在1971-1988年间建成运行,均属沸水型反应堆(Boiling Water Reactors,BWR)。其工作原理是核燃料棒在反应堆堆芯发生可控的链式反应,产生大量热量;这些热量传递给反应堆压力容器内的水,这些水被加热后产生蒸汽,直接推动蒸汽涡轮发电机产生电能。

       这个回路里的水,在反应堆运转后是沸腾的,蒸汽通过涡轮发电机后需要进入一个冷凝器,冷凝器引入海水进行冷却,蒸汽冷却后重新变成液态水流回反应堆压力容器。 广东凉茶

锆水反应(编辑中,抢先发布) - 化学教研组 - 南昌市实验中学化学教研组

 沸水型反应堆运行过程示意图,图中蓝色部分即为冷却水循环,最左边的部分即为进行链式反应的炉心。

       在这次地震发生后,日本福岛第一、第二核电站的反应堆都已自动“停堆”,为什么还会出现如此严重的核泄漏?这是因为在核电术语里“停堆”,只是通过计算机控制向反应堆芯插入控制棒,停止链式反应,但是核燃料棒里的反射性元素自衰变仍然产生大量热量。这样就必须保持冷却水循环,以保证核燃料棒不会因为温度过高而出现包裹金属熔解破损,导致严重核泄漏。       

       众所周知,核燃料在发生链式反应时会产生大量对人体有害的放射性物质,如碘131、铯137。为了避免这些放射性物质泄漏,福岛核电站设置了三层防护。

       第一层就是核燃料棒的外壳——锆合金,这层锆合金包裹可以避免核燃料棒里的放射性物质与冷却水接触,可以承受1200度的高温。很多根核燃料棒、控制棒(用途是吸收中子,控制链式反应的程度)及相关机构就组成了反应堆堆芯装置。

       第二层防护是反应堆压力容器,反应堆堆芯就是放置在这个压力容器里。反应堆工作时会产生巨大的蒸汽压力,所以反应堆压力容器由高强度合金钢制成。其防护作用是,在核燃料棒的锆合金外壳出现破损的时候,保证放射性物质不会大规模泄漏。

       第三层防护是混凝土安全壳,福岛核电站的安全壳由约1米厚的预应力钢筋混凝土和约6毫米厚的内衬钢板组成。它的主要作用是,在反应堆压力容器爆炸或破损后,大量放射性物质、放射性废水不会泄漏到外界去。值得一提的是,前苏联切尔诺贝利核电站的反应堆是没有安全壳的,反应堆爆炸轻易将并不坚固的厂房炸开,导致大量反射性尘埃直接进入外界大气。

锆水反应(编辑中,抢先发布) - 化学教研组 - 南昌市实验中学化学教研组

                                       福岛第一核电站反应堆结构图

       其它需要认识的附属结构:1、压力抑制水池,它与混凝土安全壳连通,用于控制混凝土安全壳内的内部压力和装盛冷却水。2、混凝土安全壳的钢制顶盖,在更换核燃料棒时需要打开。3、乏燃料棒(使用过的核燃料棒)冷却水池,乏燃料棒在刚从反应堆取出时仍具有非常高的温度,需要放在水池里冷却,再运出核电站。4、操作厂房,位于核电站厂房的最高一层,装有吊车等设备,装卸核燃料棒等操作在此进行。

网易新闻,《错与罚:检讨福岛核救援》(http://war.news.163.com/special/nucleardianzhan/)

 

       中学化学相关知识

  在高中化学中,介绍过有部分金属是可以与水反应放出氢气的。

 1、不论是哪一种版本的教材都会重点介绍金属钠与水的反应:2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 ↑,并由此引深到部分非常活泼的金属易与水发生剧烈的反应生成氢气,如钾和钙等。 

 钠与水反应实验视频

 2、在学习元素周期律时,都会涉及到金属镁与水的反应:与冷水反应缓慢,与沸水反应迅速,放出氢气。”,由此也可以扩展到部分比较活泼的金属在一定条件下也能与水反应生成氢气。 

 3、在2003人教版的“全日制普通高级中学教科书化学第二册”中有介绍铁与水的反应:“常温下铁与水不起反应,但在高温下,红热的铁能与水蒸气起反应,放出氢气,3Fe + 4H2O(g) = Fe3O4 + 4H2 ”

【原创】浅析锆水反应 - 实验化学组 - 南昌市实验中学化学教研组

【原创】浅析锆水反应 - 实验化学组 - 南昌市实验中学化学教研组 

 红热的铁与水蒸气反应实验视频   

       不过在2007人教版的“普通高中课程标准实验教科书化学必修①”中没有直接介绍该反应,而是用科学探究的手段让同学们自主通过设计反应的方案、记录反应现象来探究铁能否与水反应?什么条件下能反应?,并在课本上给出了反应方程式。 广东凉茶 

【原创】浅析锆水反应 - 实验化学组 - 南昌市实验中学化学教研组

【原创】浅析锆水反应 - 实验化学组 - 南昌市实验中学化学教研组

【原创】浅析锆水反应 - 实验化学组 - 南昌市实验中学化学教研组

  由此可见,锆水反应完全可以在给出相关资料的情况下,让同学们联系已掌握的相关化学知识推导出来。作为一个热点问题,锆水反应——锆在高温和水或水蒸气反应生成氧化锆和氢气,很可能在今后的考试中出现!

 我将这个考点设计成了下面的两道题,既联系了现实热点,又考了同学们对已有知识的灵活运用。不妥之处敬请指正!

 题一:

【原创】浅析锆水反应 - 广东凉茶 - 广东凉茶

 

题二:

【原创】浅析锆水反应 - 广东凉茶 - 广东凉茶

 

 

 

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