-反應(yīng)堆技術(shù)及核能利用

1、第六章第六章 反應(yīng)堆技術(shù)及核能利用反應(yīng)堆技術(shù)及核能利用 重核的感生裂變和輕核的聚變過程所釋放出的巨大重核的感生裂變和輕核的聚變過程所釋放出的巨大能量習(xí)慣上稱為能量習(xí)慣上稱為核能核能。核能的發(fā)現(xiàn)和利用是核科學(xué)對人。核能的發(fā)現(xiàn)和利用是核科學(xué)對人類社會的最重要貢獻(xiàn)之一類社會的最重要貢獻(xiàn)之一 ！核能利用的兩種方式：核能利用的兩種方式：（1 1）以不可控裂變或聚變反應(yīng)為特征的核武器技術(shù)；）以不可控裂變或聚變反應(yīng)為特征的核武器技術(shù)；（2 2）以受控裂變或聚變反應(yīng)為特征的核能發(fā)電技術(shù)、核）以受控裂變或聚變反應(yīng)為特征的核能發(fā)電技術(shù)、核能推進(jìn)技術(shù)、核能供熱技術(shù)等，這些都是基于核反應(yīng)堆能推進(jìn)技術(shù)、核能供熱技術(shù)等，

2、這些都是基于核反應(yīng)堆的核能應(yīng)用技術(shù)，有時也將它們總稱為動力型核技術(shù)。的核能應(yīng)用技術(shù)，有時也將它們總稱為動力型核技術(shù)。 1932 1932年，英國物理學(xué)家年，英國物理學(xué)家查德威克查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，為人類發(fā)現(xiàn)了中子，為人類提供了打開核能利用大門的一把鑰匙。提供了打開核能利用大門的一把鑰匙。 nCBeHe101269442核能利用的歷史沿革核能利用的歷史沿革 1939 1939年，年，費(fèi)米費(fèi)米發(fā)現(xiàn)利用中子轟擊鈾核能產(chǎn)生中等重量發(fā)現(xiàn)利用中子轟擊鈾核能產(chǎn)生中等重量的元素，居里夫人的女兒的元素，居里夫人的女兒伊倫娜伊倫娜 居里居里進(jìn)行了類似的研究，進(jìn)行了類似的研究，但得到了不同的反應(yīng)產(chǎn)物。但得到了不同的

3、反應(yīng)產(chǎn)物。 伊倫娜伊倫娜 居里和約里奧居里和約里奧 居里居里費(fèi)米費(fèi)米 德國科學(xué)家德國科學(xué)家哈恩哈恩重復(fù)他們的重復(fù)他們的實驗，證實中子轟擊鈾核能產(chǎn)生實驗，證實中子轟擊鈾核能產(chǎn)生重量為鈾一半的元素，并確定它重量為鈾一半的元素，并確定它是鋇，他的進(jìn)一步工作證實了伊是鋇，他的進(jìn)一步工作證實了伊倫娜倫娜 居里實驗的產(chǎn)物是鑭。居里實驗的產(chǎn)物是鑭。 流亡瑞典的奧地利女科學(xué)家流亡瑞典的奧地利女科學(xué)家邁特納邁特納提出了鈾核裂變的概念，提出了鈾核裂變的概念，并指出裂變能放出能量。并指出裂變能放出能量。 為了能持續(xù)地放出核能，匈牙利物為了能持續(xù)地放出核能，匈牙利物理學(xué)家理學(xué)家西拉德西拉德最先考慮了裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)最先考

4、慮了裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的可能性。發(fā)生的可能性。 1939 1939 年，年，居里夫婦居里夫婦等人通過實驗等人通過實驗發(fā)現(xiàn)一個鈾發(fā)現(xiàn)一個鈾-235-235核裂變會釋放出核裂變會釋放出2 23 3個個中子，用實驗證實了發(fā)生裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中子，用實驗證實了發(fā)生裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的可能性。的可能性。 1941 1941年年1212月到月到19421942年年1212月，月，費(fèi)米費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)一批科學(xué)家在美領(lǐng)導(dǎo)一批科學(xué)家在美國芝加哥大學(xué)斯塔克運(yùn)動場的西看臺下，成功地建造了世國芝加哥大學(xué)斯塔克運(yùn)動場的西看臺下，成功地建造了世界上第一座核反應(yīng)堆，盡管該反應(yīng)堆僅發(fā)出了界上第一座核反應(yīng)堆，盡管該反應(yīng)堆僅發(fā)出了200 W200

5、W的電，的電，但它解決了受控裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的眾多技術(shù)問題，標(biāo)志著核但它解決了受控裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的眾多技術(shù)問題，標(biāo)志著核能時代的到來。能時代的到來。 圖圖6-1 6-1 世界上第一座世界上第一座核反應(yīng)堆（油畫）核反應(yīng)堆（油畫） 核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆是一個能維持和控制核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)或核是一個能維持和控制核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)或核聚變反應(yīng)，從而實現(xiàn)核能向熱能轉(zhuǎn)換的裝置。聚變反應(yīng)，從而實現(xiàn)核能向熱能轉(zhuǎn)換的裝置。能量能量產(chǎn)生產(chǎn)生方式方式裂變核反應(yīng)堆（主導(dǎo)）裂變核反應(yīng)堆（主導(dǎo)）聚變核反應(yīng)堆（研究中）聚變核反應(yīng)堆（研究中）反應(yīng)堆反應(yīng)堆6.1.1 6.1.1 反應(yīng)堆的組成反應(yīng)堆的組成反反應(yīng)應(yīng)堆堆活性區(qū)（堆芯）活性區(qū)（堆芯）反

6、射層反射層屏蔽層屏蔽層輻射監(jiān)測系統(tǒng)輻射監(jiān)測系統(tǒng)壓力殼壓力殼核燃料核燃料慢化劑慢化劑冷卻劑冷卻劑控制棒控制棒 反應(yīng)堆的燃料是可裂變材料反應(yīng)堆的燃料是可裂變材料。 自然界天然存在的易于裂變的材料只有自然界天然存在的易于裂變的材料只有U-235U-235，它在天，它在天然鈾中的含量僅有然鈾中的含量僅有0.7200.720，而另外兩種同位素，而另外兩種同位素U-238U-238和和U-U-234234各占各占99.27499.274和和0.00550.0055，均不易裂變。除了，均不易裂變。除了U-235U-235外，外，可用作裂變材料的還有兩種利用反應(yīng)堆或加速器生產(chǎn)出來可用作裂變材料的還有兩種利用反

7、應(yīng)堆或加速器生產(chǎn)出來的的U-233U-233和和Pu-239Pu-239。用這些裂變材料制成金屬、金屬合金、。用這些裂變材料制成金屬、金屬合金、氧化物、碳化物等形式作為反應(yīng)堆的燃料。氧化物、碳化物等形式作為反應(yīng)堆的燃料。 為了防止裂變產(chǎn)物逸出，燃料一般都需用包殼包起來，為了防止裂變產(chǎn)物逸出，燃料一般都需用包殼包起來，包殼材料有鋁、鋯合金和不銹鋼等。包殼材料有鋁、鋯合金和不銹鋼等。（1 1）核燃料）核燃料燃料棒組件燃料棒組件 為了控制裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速率在一個預(yù)定的水平上，為了控制裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速率在一個預(yù)定的水平上，或在緊急情況下停止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，反應(yīng)堆中安裝了用于吸收或在緊急情況下停止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，反

8、應(yīng)堆中安裝了用于吸收中子的中子的控制棒控制棒（也稱（也稱安全棒安全棒）。）。 控制棒材料一般是硼、碳化硼、鎘、銀控制棒材料一般是硼、碳化硼、鎘、銀- -銦銦- -鎘合金等。鎘合金等。含硼材料因資源豐富、價格低，應(yīng)用較廣，但它被輻照后含硼材料因資源豐富、價格低，應(yīng)用較廣，但它被輻照后容易脆化和腫脹。容易脆化和腫脹。銀銀- -銦銦- -鎘合金的熱中子吸收截面大，是鎘合金的熱中子吸收截面大，是商用反應(yīng)堆的主要控制材料商用反應(yīng)堆的主要控制材料。 控制棒一般以控制棒一般以“棒束棒束”形式出現(xiàn)，稱為控制組件。形式出現(xiàn)，稱為控制組件。（2 2）控制棒）控制棒控制棒組件控制棒組件瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（瑞士洛桑

9、聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFLEPFL）內(nèi)的小型研究型核反應(yīng)堆）內(nèi)的小型研究型核反應(yīng)堆CROCUSCROCUS的堆芯的堆芯（3 3）冷卻劑）冷卻劑 冷卻劑冷卻劑是將裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出來的工作介質(zhì)，是將裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出來的工作介質(zhì)，是唯一既在堆芯中工作又在堆外工作的一種反應(yīng)堆成分，是唯一既在堆芯中工作又在堆外工作的一種反應(yīng)堆成分，這就要求冷卻劑必須在高溫和高中子通量場合工作穩(wěn)定。這就要求冷卻劑必須在高溫和高中子通量場合工作穩(wěn)定。 理想的冷卻劑應(yīng)理想的冷卻劑應(yīng)具有良好的慢具有良好的慢化中子能力，有較大的傳熱系數(shù)和化中子能力，有較大的傳熱系數(shù)和熱容量、抗氧化以及在中子輻照下熱容量、抗氧化以及在中子

10、輻照下不會產(chǎn)生很高的放射性不會產(chǎn)生很高的放射性。常見的冷。常見的冷卻劑有輕水、重水、二氧化碳、氦卻劑有輕水、重水、二氧化碳、氦氣、液態(tài)金屬鈉（或鈉鉀合金）氣、液態(tài)金屬鈉（或鈉鉀合金）等。等。壓水堆壓水堆（4 4）慢化劑）慢化劑 由于慢中子（或熱中子，速率約為由于慢中子（或熱中子，速率約為2200 m/s2200 m/s、能量約為、能量約為1/40 eV1/40 eV）更易引起）更易引起U-235U-235裂變，而裂變反應(yīng)放出的中子幾乎裂變，而裂變反應(yīng)放出的中子幾乎都是快中子，所以有些反應(yīng)堆中要放入能使中子速度減慢的都是快中子，所以有些反應(yīng)堆中要放入能使中子速度減慢的材料，稱為材料，稱為慢化劑慢

11、化劑。 選擇慢化劑的首要因素是核特性，選擇慢化劑的首要因素是核特性，要有良好的慢化性能和低的中子俘獲截要有良好的慢化性能和低的中子俘獲截面；其次是價格、機(jī)械特性和輻照敏感面；其次是價格、機(jī)械特性和輻照敏感性。有時慢化劑兼作冷卻劑，即使不是，性。有時慢化劑兼作冷卻劑，即使不是，在設(shè)計中兩者也是緊密相關(guān)的。常用的在設(shè)計中兩者也是緊密相關(guān)的。常用的慢化劑包括石墨、重水和輕水。慢化劑包括石墨、重水和輕水。重水堆重水堆 反射層反射層設(shè)在活性區(qū)四周，它可以是重水、輕水、鈹、設(shè)在活性區(qū)四周，它可以是重水、輕水、鈹、石墨或其他材料。它能把活性區(qū)內(nèi)逃出的中子反射回去，石墨或其他材料。它能把活性區(qū)內(nèi)逃出的中子反射

12、回去，減少中子的泄漏量。減少中子的泄漏量。（5 5）反射層）反射層圖圖6-1 6-1 石墨反應(yīng)堆堆芯模型石墨反應(yīng)堆堆芯模型圖圖6-1 6-1 石墨反應(yīng)堆堆芯模型石墨反應(yīng)堆堆芯模型 為防護(hù)中子、為防護(hù)中子、射線和熱輻射，必須在反應(yīng)堆和大多射線和熱輻射，必須在反應(yīng)堆和大多數(shù)輔助設(shè)備周圍設(shè)置數(shù)輔助設(shè)備周圍設(shè)置屏蔽層屏蔽層，其設(shè)計要力求造價便宜并節(jié)，其設(shè)計要力求造價便宜并節(jié)省空間。常用的材料有鋼、鉛、混凝土和含省空間。常用的材料有鋼、鉛、混凝土和含B B材料等。材料等。 （6 6）屏蔽層）屏蔽層（7 7）輻射監(jiān)測系統(tǒng)）輻射監(jiān)測系統(tǒng) 輻射監(jiān)測系統(tǒng)輻射監(jiān)測系統(tǒng)能監(jiān)測并及早發(fā)現(xiàn)放射性泄漏情況，以保能監(jiān)測并及

13、早發(fā)現(xiàn)放射性泄漏情況，以保證反應(yīng)堆的正常運(yùn)行。證反應(yīng)堆的正常運(yùn)行。（8 8）壓力殼）壓力殼 壓力殼壓力殼是安置反應(yīng)堆并承受是安置反應(yīng)堆并承受巨大運(yùn)行壓力的密封容器，又稱巨大運(yùn)行壓力的密封容器，又稱反應(yīng)堆壓力容器反應(yīng)堆壓力容器。由于壓力殼所。由于壓力殼所容納的反應(yīng)堆堆芯放射性極強(qiáng)，容納的反應(yīng)堆堆芯放射性極強(qiáng)，故在材質(zhì)、制作、檢驗及服役檢故在材質(zhì)、制作、檢驗及服役檢查等方面都嚴(yán)格的多。查等方面都嚴(yán)格的多。6.1.2 6.1.2 反應(yīng)堆的分類及特點(diǎn)反應(yīng)堆的分類及特點(diǎn)表表6-1 6-1 反應(yīng)堆的分類反應(yīng)堆的分類按中子能量分類按中子能量分類快中子堆快中子堆中子能量大于中子能量大于1 MeV，簡稱快堆，簡

14、稱快堆中能中子堆中能中子堆中子能量大于中子能量大于0.1 eV小于小于0.1 MeV熱中子堆熱中子堆中子能量大于中子能量大于0.025 eV小于小于0.1 eV按冷卻劑和慢化劑分類按冷卻劑和慢化劑分類輕水堆輕水堆壓水堆和沸水堆壓水堆和沸水堆重水堆重水堆壓力管式重水堆和壓力容器式重水慢化輕水冷卻堆壓力管式重水堆和壓力容器式重水慢化輕水冷卻堆有機(jī)堆有機(jī)堆重水慢化有機(jī)冷卻堆重水慢化有機(jī)冷卻堆石墨堆石墨堆石墨水冷堆和石墨氣冷堆石墨水冷堆和石墨氣冷堆氣冷堆氣冷堆天然鈾石墨堆、改進(jìn)型氣冷堆、高溫氣冷堆和重水慢化氣天然鈾石墨堆、改進(jìn)型氣冷堆、高溫氣冷堆和重水慢化氣冷堆冷堆液態(tài)金屬冷卻堆液態(tài)金屬冷卻堆熔鹽堆和

15、鈉冷快堆熔鹽堆和鈉冷快堆按堆芯結(jié)構(gòu)分類按堆芯結(jié)構(gòu)分類均勻堆均勻堆核燃料與慢化劑、冷卻劑均勻混合核燃料與慢化劑、冷卻劑均勻混合非均勻堆非均勻堆核燃料與慢化劑、冷卻劑呈非均勻分布，按要求排列成一核燃料與慢化劑、冷卻劑呈非均勻分布，按要求排列成一定形狀定形狀按用途分類按用途分類生產(chǎn)堆生產(chǎn)堆生產(chǎn)生產(chǎn)Pu-239、氚以及放射性同位素、氚以及放射性同位素動力堆動力堆生產(chǎn)電力、提供熱能，或為船舶、航天器等提供動力生產(chǎn)電力、提供熱能，或為船舶、航天器等提供動力研究實驗堆研究實驗堆用作實驗研究工具的反應(yīng)堆用作實驗研究工具的反應(yīng)堆（1 1）研究實驗堆）研究實驗堆 研究實驗堆研究實驗堆是指用作實驗研是指用作實驗研究

16、工具的反應(yīng)堆，它不包括為研究工具的反應(yīng)堆，它不包括為研究發(fā)展特定堆型而建造的、本身究發(fā)展特定堆型而建造的、本身就是研究對象的反應(yīng)堆，如原型就是研究對象的反應(yīng)堆，如原型堆、零功率堆、各種模式堆等。堆、零功率堆、各種模式堆等。研究實驗反應(yīng)堆的實驗研究領(lǐng)域研究實驗反應(yīng)堆的實驗研究領(lǐng)域很廣泛，包括堆物理、堆工程、很廣泛，包括堆物理、堆工程、生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)等，同生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)等，同時，還可生產(chǎn)各種放射性同位素時，還可生產(chǎn)各種放射性同位素和培訓(xùn)反應(yīng)堆科學(xué)技術(shù)人員。和培訓(xùn)反應(yīng)堆科學(xué)技術(shù)人員。 中國原子能科學(xué)研究院的零功中國原子能科學(xué)研究院的零功率裝置率裝置游泳池式研究實驗堆游泳池式研究實驗堆

17、罐式研究實驗堆罐式研究實驗堆重水研究實驗堆重水研究實驗堆固體慢化劑研究實驗堆固體慢化劑研究實驗堆均勻型研究實驗堆均勻型研究實驗堆快中子實驗堆快中子實驗堆 石墨研究實驗堆石墨研究實驗堆 研究實驗堆的種類研究實驗堆的種類 石墨研究實驗堆石墨研究實驗堆 比較有代表性的是布魯克海文國家實驗室（比較有代表性的是布魯克海文國家實驗室（BNLBNL）的石）的石墨研究反應(yīng)堆（墨研究反應(yīng)堆（BGRRBGRR）。它是二次大戰(zhàn)后在和平時期美國）。它是二次大戰(zhàn)后在和平時期美國建造的第一臺反應(yīng)堆，開始時用天然鈾作為燃料，建造的第一臺反應(yīng)堆，開始時用天然鈾作為燃料，19581958年年起采用濃縮起采用濃縮U-235U-2

18、35，反應(yīng)堆功率，反應(yīng)堆功率20 MW20 MW，中子的最大流量約，中子的最大流量約為為2 210101313 cm cm-2-2 s s-1-1，主要任務(wù)是為科學(xué)實驗提供中子，改，主要任務(wù)是為科學(xué)實驗提供中子，改進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)。進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)。圖圖6-3 BNL的石墨研究反應(yīng)堆（的石墨研究反應(yīng)堆（BGRR） 罐式研究實驗堆罐式研究實驗堆的工作溫度較高，冷卻劑流量較大，的工作溫度較高，冷卻劑流量較大，這只有在加壓系統(tǒng)中才能實現(xiàn)，因此，反應(yīng)堆必須采取加這只有在加壓系統(tǒng)中才能實現(xiàn)，因此，反應(yīng)堆必須采取加壓罐式結(jié)構(gòu)。壓罐式結(jié)構(gòu)。 罐式研究實驗堆罐式研究實驗堆罐式研究實驗堆罐式研究實驗堆 重水研究實驗堆重

19、水研究實驗堆 在在重水研究實驗堆重水研究實驗堆中，由于重水的中子吸收截面小，所中，由于重水的中子吸收截面小，所以以允許采用天然鈾燃料允許采用天然鈾燃料，它的特點(diǎn)是臨界質(zhì)量較大，中子通，它的特點(diǎn)是臨界質(zhì)量較大，中子通量密度較低。如果要減小臨界質(zhì)量和獲得高中子通量密度，量密度較低。如果要減小臨界質(zhì)量和獲得高中子通量密度，就必須用濃縮鈾來代替天然鈾。就必須用濃縮鈾來代替天然鈾。 圖圖6-4 6-4 重水研究實驗反應(yīng)堆（中國）重水研究實驗反應(yīng)堆（中國）即即101101堆，堆，19581958年年6 6月月1313日首次達(dá)到臨界，日首次達(dá)到臨界，安全運(yùn)行安全運(yùn)行5050年后，于年后，于20082008年

20、年1111月月2525日關(guān)日關(guān)閉閉 快中子實驗堆快中子實驗堆 快中子實驗堆快中子實驗堆在運(yùn)行過程中能夠形成完整的核燃料閉合在運(yùn)行過程中能夠形成完整的核燃料閉合式循環(huán)，可使鈾的資源利用率提高至式循環(huán)，可使鈾的資源利用率提高至60%60%以上，而且產(chǎn)生的以上，而且產(chǎn)生的核廢料極少。貧鈾、乏燃料、低品位的鈾礦、海水里的鈾等核廢料極少。貧鈾、乏燃料、低品位的鈾礦、海水里的鈾等都可以成為快中子實驗堆的燃料來源。都可以成為快中子實驗堆的燃料來源。 中國實驗快堆：熱功率中國實驗快堆：熱功率65MW65MW，電，電功率為功率為20MW20MW。這是我國。這是我國“863”863”高技術(shù)高技術(shù)計劃計劃“九五九五

21、”重大項目之一?？於押酥卮箜椖恐弧？於押穗姽こ炭蓪⑩欃Y源的利用率從壓水堆電工程可將鈾資源的利用率從壓水堆電站的電站的1%1%左右提高到左右提高到60%-70%60%-70%，將為，將為我國核能持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。我國核能持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 中國先進(jìn)研究堆功率為中國先進(jìn)研究堆功率為60MW60MW，具有安全性能好，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，多用途的，具有安全性能好，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，多用途的特點(diǎn)。它是特點(diǎn)。它是2121世紀(jì)我國核科學(xué)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)研究設(shè)施之一，是國家核世紀(jì)我國核科學(xué)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)研究設(shè)施之一，是國家核科技總體實力和水平的重要標(biāo)志，是進(jìn)行中子散射和核物理研究的先進(jìn)設(shè)施，科技總體實力和水

22、平的重要標(biāo)志，是進(jìn)行中子散射和核物理研究的先進(jìn)設(shè)施，除了可大規(guī)模生產(chǎn)多品種、高比活度的放射性同位素，進(jìn)行核電燃料組件、材除了可大規(guī)模生產(chǎn)多品種、高比活度的放射性同位素，進(jìn)行核電燃料組件、材料的輻照考驗和研究外，還可為單晶硅中子摻雜、中子活化分析、中子照相、料的輻照考驗和研究外，還可為單晶硅中子摻雜、中子活化分析、中子照相、中子治癌、放射性計量標(biāo)準(zhǔn)件建立等工作提供先進(jìn)的設(shè)施。中子治癌、放射性計量標(biāo)準(zhǔn)件建立等工作提供先進(jìn)的設(shè)施。 生產(chǎn)堆生產(chǎn)堆主要用于生產(chǎn)易裂變材料主要用于生產(chǎn)易裂變材料或其他材料，或用來進(jìn)行工業(yè)規(guī)模輻或其他材料，或用來進(jìn)行工業(yè)規(guī)模輻照。生產(chǎn)堆包括產(chǎn)钚堆、產(chǎn)氚堆、產(chǎn)照。生產(chǎn)堆包括產(chǎn)钚

23、堆、產(chǎn)氚堆、產(chǎn)钚產(chǎn)氚兩用堆、同位素生產(chǎn)堆及大規(guī)钚產(chǎn)氚兩用堆、同位素生產(chǎn)堆及大規(guī)模輻照堆，模輻照堆，如果不是特別指明，通常如果不是特別指明，通常所說的生產(chǎn)堆是指產(chǎn)钚堆。所說的生產(chǎn)堆是指產(chǎn)钚堆。 產(chǎn)钚堆結(jié)構(gòu)簡單，堆中的燃料元件既是燃料又是生產(chǎn)產(chǎn)钚堆結(jié)構(gòu)簡單，堆中的燃料元件既是燃料又是生產(chǎn)Pu-239Pu-239的原料。生產(chǎn)堆也可以用來生產(chǎn)熱核燃料氚，重水的原料。生產(chǎn)堆也可以用來生產(chǎn)熱核燃料氚，重水型生產(chǎn)堆的產(chǎn)氚量要比石墨型生產(chǎn)堆產(chǎn)氚高型生產(chǎn)堆的產(chǎn)氚量要比石墨型生產(chǎn)堆產(chǎn)氚高7 7倍。倍。同位素生產(chǎn)同位素生產(chǎn)（2 2）生產(chǎn)堆）生產(chǎn)堆（3 3）動力堆）動力堆 動力堆動力堆包括為艦船、航天器等提供動力的包

24、括為艦船、航天器等提供動力的推進(jìn)堆推進(jìn)堆、為、為發(fā)電而建造的發(fā)電而建造的發(fā)電堆發(fā)電堆和為海水淡化、取暖等提供熱能的和為海水淡化、取暖等提供熱能的多多目的堆目的堆。 核動力艦船（如核潛艇、核核動力艦船（如核潛艇、核動力航母）等通常用壓水堆作為動力航母）等通常用壓水堆作為其動力裝置。商用規(guī)模核電站使其動力裝置。商用規(guī)模核電站使用的反應(yīng)堆主要有輕水堆、重水用的反應(yīng)堆主要有輕水堆、重水堆、石墨氣冷堆和快中子堆等。堆、石墨氣冷堆和快中子堆等。專用的多目的堆并不常見。專用的多目的堆并不常見。法國的核潛艇法國的核潛艇大亞灣核電站大亞灣核電站 輕水堆輕水堆(LWR)(LWR) 輕水堆輕水堆是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)

25、用最廣泛的堆型，全球運(yùn)是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的堆型，全球運(yùn)行的以及在建的反應(yīng)堆中，輕水堆的占有率達(dá)行的以及在建的反應(yīng)堆中，輕水堆的占有率達(dá)80%80%。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)和運(yùn)行都比較簡單，功率密度高，：體積小，結(jié)構(gòu)和運(yùn)行都比較簡單，功率密度高，單堆功率大，造價也低廉，建造周期短和安全可靠。單堆功率大，造價也低廉，建造周期短和安全可靠。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：輕水吸收中子的幾率比重水和石墨大，因此不能：輕水吸收中子的幾率比重水和石墨大，因此不能直接使用天然鈾為燃料，此外，輕水堆的鈾利用率較低，僅直接使用天然鈾為燃料，此外，輕水堆的鈾利用率較低，僅為為33%33%。壓水堆壓水堆液態(tài)高壓輕水做冷卻劑

26、液態(tài)高壓輕水做冷卻劑沸水堆沸水堆輕水的蒸汽做冷卻劑輕水的蒸汽做冷卻劑輕水堆輕水堆（a a）壓水堆）壓水堆(PWR)(PWR) 是最具競爭力的堆型，約占是最具競爭力的堆型，約占60%60%。 用普通水作慢化劑和冷卻劑，價用普通水作慢化劑和冷卻劑，價格低廉；格低廉； 為了使反應(yīng)堆內(nèi)溫度很高的冷卻為了使反應(yīng)堆內(nèi)溫度很高的冷卻水保持液態(tài)，反應(yīng)堆在高壓力（水壓約水保持液態(tài)，反應(yīng)堆在高壓力（水壓約為為15.5 MPa15.5 MPa ）下運(yùn)行；）下運(yùn)行； 由于反應(yīng)堆內(nèi)的水處于液態(tài)，驅(qū)由于反應(yīng)堆內(nèi)的水處于液態(tài)，驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組的蒸汽必須在反應(yīng)堆以動汽輪發(fā)電機(jī)組的蒸汽必須在反應(yīng)堆以外借助蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生；外借助

27、蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生；圖圖6-5 6-5 壓水堆結(jié)構(gòu)原理圖壓水堆結(jié)構(gòu)原理圖 由于用普通水作慢化劑和冷卻劑，熱中子吸收截面較大，因此必由于用普通水作慢化劑和冷卻劑，熱中子吸收截面較大，因此必須使用低濃縮鈾（須使用低濃縮鈾（U-235的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%）作核燃料。）作核燃料。 山東海陽核電站效果圖及施工現(xiàn)場山東海陽核電站效果圖及施工現(xiàn)場壓水堆，壓水堆，2 2臺臺200200萬千瓦機(jī)組，中國最大的核電站萬千瓦機(jī)組，中國最大的核電站（b b）沸水堆）沸水堆(BWR)(BWR) 在動力堆中約占在動力堆中約占24%24%。 沸水堆和壓水堆一樣，也用沸水堆和壓水堆一樣，也用普通水作慢化劑和冷卻劑，不同

28、普通水作慢化劑和冷卻劑，不同的是蒸汽在沸水堆內(nèi)產(chǎn)生，并直的是蒸汽在沸水堆內(nèi)產(chǎn)生，并直接進(jìn)入氣輪機(jī)發(fā)電，無需蒸汽發(fā)接進(jìn)入氣輪機(jī)發(fā)電，無需蒸汽發(fā)生器，系統(tǒng)特別簡單，工作壓力生器，系統(tǒng)特別簡單，工作壓力比壓水堆低。然而，沸水堆的蒸比壓水堆低。然而，沸水堆的蒸汽帶有放射性，需采取屏蔽措施汽帶有放射性，需采取屏蔽措施以防止放射性泄漏。以防止放射性泄漏。 圖圖6-6 6-6 沸水堆結(jié)構(gòu)原理圖沸水堆結(jié)構(gòu)原理圖 切爾諾貝利核電站的石墨慢化壓力管式沸水堆切爾諾貝利核電站的石墨慢化壓力管式沸水堆 重水堆重水堆(HWR)(HWR) 在動力堆中約占在動力堆中約占5%5%。 用重水作慢化劑和冷卻用重水作慢化劑和冷卻劑，

29、用天然鈾作燃料，這是劑，用天然鈾作燃料，這是重水堆的最大優(yōu)點(diǎn)，但是阻重水堆的最大優(yōu)點(diǎn)，但是阻礙其發(fā)展的重要原因之一是礙其發(fā)展的重要原因之一是重水很難得到，因為在天然重水很難得到，因為在天然水中重水很少。目前達(dá)到商水中重水很少。目前達(dá)到商用水平的重水堆只有加拿大用水平的重水堆只有加拿大開發(fā)的坎杜堆，我國目前也開發(fā)的坎杜堆，我國目前也建設(shè)了一座重水堆核電站。建設(shè)了一座重水堆核電站。 圖圖6-7 重水堆結(jié)構(gòu)原理圖重水堆結(jié)構(gòu)原理圖 加拿大的坎杜堆和使用的燃料組件加拿大的坎杜堆和使用的燃料組件秦山核電站三期（重水堆，與加拿大合作）秦山核電站三期（重水堆，與加拿大合作） 石墨氣冷堆發(fā)展了三代石墨氣冷堆發(fā)展

30、了三代： 第一代氣冷堆第一代氣冷堆以石墨作慢化劑，二氧化碳作冷卻劑，用天然鈾燃料，以石墨作慢化劑，二氧化碳作冷卻劑，用天然鈾燃料，最高運(yùn)行溫度為最高運(yùn)行溫度為360 360 ，是英、法兩國為商用發(fā)電建造的堆型之一；，是英、法兩國為商用發(fā)電建造的堆型之一； 第二代為改進(jìn)型氣冷堆第二代為改進(jìn)型氣冷堆，仍然以石墨為慢化劑，二氧化碳為冷卻劑，仍然以石墨為慢化劑，二氧化碳為冷卻劑，但核燃料用的是純度為但核燃料用的是純度為2 23%3%的低縮度的低縮度U-235U-235，出口溫度可達(dá)，出口溫度可達(dá)670670，英國，英國曾經(jīng)建立了這種堆，但技術(shù)問題較多，前途暗淡；曾經(jīng)建立了這種堆，但技術(shù)問題較多，前途暗

31、淡； 第三代為高溫氣冷堆第三代為高溫氣冷堆（氣體的溫度達(dá)到（氣體的溫度達(dá)到750750以上），采用陶瓷顆粒以上），采用陶瓷顆粒燃料和耐高溫的石墨結(jié)構(gòu)材料，并用惰性氣體（氦）作冷卻劑。由于陶燃料和耐高溫的石墨結(jié)構(gòu)材料，并用惰性氣體（氦）作冷卻劑。由于陶瓷顆粒燃料的表面積大、堆芯材料耐高溫及氦氣的傳熱性好、穩(wěn)定性高，瓷顆粒燃料的表面積大、堆芯材料耐高溫及氦氣的傳熱性好、穩(wěn)定性高，所以高溫氣冷堆是一種高溫、深燃耗和高功率密度的堆型。所以高溫氣冷堆是一種高溫、深燃耗和高功率密度的堆型。 石墨氣冷堆石墨氣冷堆(GGR)(GGR)以第一代石墨氣冷反應(yīng)堆為核心的核電站（法國）以第一代石墨氣冷反應(yīng)堆為核心的核

32、電站（法國）山東榮成石島灣核電站是我國第一座高溫氣冷堆核電站山東榮成石島灣核電站是我國第一座高溫氣冷堆核電站 6.2.1 6.2.1 核能發(fā)電技術(shù)核能發(fā)電技術(shù) 裂變核能在反應(yīng)堆中轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能被引出后裂變核能在反應(yīng)堆中轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能被引出后不僅可以直接用于供熱或海水淡化，而且還能被轉(zhuǎn)化為其不僅可以直接用于供熱或海水淡化，而且還能被轉(zhuǎn)化為其它形式，如機(jī)械能（推動艦船、航天器）或更易使用的電它形式，如機(jī)械能（推動艦船、航天器）或更易使用的電能等。能等。 6.2.1.1 6.2.1.1 核電站的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀核電站的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 19411941年年1212月到月到19421942年年

33、12 12 月，費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)一批物理學(xué)月，費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)一批物理學(xué)家成功地建造了世界上第一座核反應(yīng)堆，標(biāo)志著原子能時家成功地建造了世界上第一座核反應(yīng)堆，標(biāo)志著原子能時代的到來。代的到來。 1951 1951年年1212月，美國利用它的月，美國利用它的“增殖一號增殖一號”快堆產(chǎn)快堆產(chǎn)生的高溫蒸汽，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)出生的高溫蒸汽，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)出200 kW200 kW的電，核能的應(yīng)用的電，核能的應(yīng)用掀開了新的篇章。掀開了新的篇章。 19541954年，前蘇聯(lián)建成了世界第一座核電站。英國年，前蘇聯(lián)建成了世界第一座核電站。英國和美國分別于和美國分別于19561956年（克得霍爾，年（克得霍爾，Calder Hall

34、Calder Hall ）和）和19591959年（賓州船運(yùn)港，年（賓州船運(yùn)港，Shipping-port Shipping-port ）建成原子能發(fā)電站。）建成原子能發(fā)電站。 2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代初到年代初到7070年代初成為核電發(fā)展的黃金年代初成為核電發(fā)展的黃金時期。時期。 1954年問世的世界第一座試驗性核電站（莫斯科附近）年問世的世界第一座試驗性核電站（莫斯科附近） 19791979年美國賓州三里島事故和年美國賓州三里島事故和19861986年前蘇聯(lián)切爾諾年前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故使得人們更加冷靜地對待核能，世界各國貝利核電站事故使得人們更加冷靜地對待核能，世界各國更加重視核

35、電的安全，在核電安全上投入了大量的資金，更加重視核電的安全，在核電安全上投入了大量的資金，使核電的安全性得到了進(jìn)一步保證，促進(jìn)核能利用事業(yè)進(jìn)使核電的安全性得到了進(jìn)一步保證，促進(jìn)核能利用事業(yè)進(jìn)一步向前發(fā)展。一步向前發(fā)展。美國賓州三里島核電站美國賓州三里島核電站 據(jù)世界核能協(xié)會統(tǒng)計，到據(jù)世界核能協(xié)會統(tǒng)計，到20112011年年6 6月月1 1日，在世界上日，在世界上2929個國家和地區(qū)，有個國家和地區(qū)，有441441座發(fā)電用核反應(yīng)堆在運(yùn)行，總?cè)萘孔l(fā)電用核反應(yīng)堆在運(yùn)行，總?cè)萘繛闉?.7643.764億千瓦，約占世界發(fā)電總?cè)萘康膬|千瓦，約占世界發(fā)電總?cè)萘康?3.8% 13.8% 。 法國建成法國建成

36、5858座發(fā)電用核反應(yīng)堆，發(fā)電量占其整個發(fā)電座發(fā)電用核反應(yīng)堆，發(fā)電量占其整個發(fā)電量的量的74%74%；日本建成；日本建成5151座，發(fā)電量占其整個發(fā)電量的座，發(fā)電量占其整個發(fā)電量的29%29%；美國建成美國建成104104座，發(fā)電量占其整個發(fā)電量的座，發(fā)電量占其整個發(fā)電量的20%20%；俄羅斯建；俄羅斯建成成3232座，發(fā)電量占其整個發(fā)電量的座，發(fā)電量占其整個發(fā)電量的17% 17% 。核電站的劃代核電站的劃代第一代核電站：第一代核電站： 屬于原型堆核電站，主要目的是通過試驗示范形式來驗屬于原型堆核電站，主要目的是通過試驗示范形式來驗證核電在工程實施上的可行性。證核電在工程實施上的可行性。195

37、01950年至年至19601960年間前蘇聯(lián)和年間前蘇聯(lián)和美國等建造的第一批單機(jī)容量在美國等建造的第一批單機(jī)容量在300 MW300 MW左右的輕水堆核電站左右的輕水堆核電站均屬于第一代核電站。均屬于第一代核電站。第二代核電站：第二代核電站： 在第一代核電站基礎(chǔ)上開發(fā)建設(shè)的大型商用核電站，如在第一代核電站基礎(chǔ)上開發(fā)建設(shè)的大型商用核電站，如加拿大的加拿大的CanduCandu重水堆核電站等。第二代核電站主要是實現(xiàn)重水堆核電站等。第二代核電站主要是實現(xiàn)了商業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、批量化，提高了經(jīng)濟(jì)性。了商業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、批量化，提高了經(jīng)濟(jì)性。第三代核電站：第三代核電站： 一是指先進(jìn)的輕水堆核電

38、站，包括一是指先進(jìn)的輕水堆核電站，包括“二代加二代加”核電站；核電站；二是指采用更安全、更經(jīng)濟(jì)、更先進(jìn)的第三代核電機(jī)組，并二是指采用更安全、更經(jīng)濟(jì)、更先進(jìn)的第三代核電機(jī)組，并采用標(biāo)準(zhǔn)化、最佳化設(shè)計和安全性更高的采用標(biāo)準(zhǔn)化、最佳化設(shè)計和安全性更高的非能動安全系統(tǒng)非能動安全系統(tǒng)的的核電站。核電站。 第三代核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性都將明顯優(yōu)于第二代核第三代核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性都將明顯優(yōu)于第二代核電站。我國引進(jìn)的美國非能動電站。我國引進(jìn)的美國非能動AP1000AP1000核電站（浙江三門核電核電站（浙江三門核電站和山東海陽核電站）以及法國站和山東海陽核電站）以及法國EPREPR核電站（廣東核電集團(tuán)公核

39、電站（廣東核電集團(tuán)公司）都屬于第三代核電站。司）都屬于第三代核電站。資料資料非能動安全系統(tǒng)非能動安全系統(tǒng)： 利用自然界的規(guī)律及工質(zhì)的物理特性，如物質(zhì)的重力、利用自然界的規(guī)律及工質(zhì)的物理特性，如物質(zhì)的重力、流體的對流、擴(kuò)散等原理，所設(shè)計的不需要專設(shè)動力源驅(qū)動流體的對流、擴(kuò)散等原理，所設(shè)計的不需要專設(shè)動力源驅(qū)動的安全系統(tǒng)，可在應(yīng)急情況下冷卻和帶走堆芯余熱。的安全系統(tǒng)，可在應(yīng)急情況下冷卻和帶走堆芯余熱。 核電站中的部件可分為核電站中的部件可分為能動部件能動部件與與非能動部件非能動部件。依靠觸發(fā)，機(jī)械運(yùn)。依靠觸發(fā)，機(jī)械運(yùn)動或動力源等外部輸入而行使功能，因而能以主動態(tài)影響系統(tǒng)的工作過動或動力源等外部輸入

40、而行使功能，因而能以主動態(tài)影響系統(tǒng)的工作過程，稱程，稱能動部件能動部件，如泵、風(fēng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組等。無需依賴外部輸入而，如泵、風(fēng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組等。無需依賴外部輸入而執(zhí)行功能的部件稱執(zhí)行功能的部件稱非能動部件非能動部件，非能動部件內(nèi)一般沒有活動部件，如管，非能動部件內(nèi)一般沒有活動部件，如管道，孔板，換熱器等。如果某一非能動部件的設(shè)計、制造、檢查和在役道，孔板，換熱器等。如果某一非能動部件的設(shè)計、制造、檢查和在役檢查均能保證很高的質(zhì)量水平，則可不必假設(shè)它會發(fā)生故障。檢查均能保證很高的質(zhì)量水平，則可不必假設(shè)它會發(fā)生故障。 AP1000 AP1000的非能動安全系統(tǒng)是裝水量總計的非能動安全系統(tǒng)是裝水

41、量總計50005000余噸的余噸的4 4個個大水箱，一旦遭遇緊急情況，不需要交流電源和應(yīng)急發(fā)電大水箱，一旦遭遇緊急情況，不需要交流電源和應(yīng)急發(fā)電機(jī)，而是利用地球引力、物質(zhì)重力、氣體膨脹、密度差引機(jī)，而是利用地球引力、物質(zhì)重力、氣體膨脹、密度差引起的對流、蒸發(fā)、冷凝等自然現(xiàn)象來驅(qū)動核電廠的安全系起的對流、蒸發(fā)、冷凝等自然現(xiàn)象來驅(qū)動核電廠的安全系統(tǒng)，巧妙地冷卻反應(yīng)堆堆芯，帶走堆芯余熱統(tǒng)，巧妙地冷卻反應(yīng)堆堆芯，帶走堆芯余熱, ,并對安全殼外并對安全殼外部實施噴淋等，從而恢復(fù)核電站的安全狀態(tài)。部實施噴淋等，從而恢復(fù)核電站的安全狀態(tài)。 假設(shè)事故發(fā)生后，這樣的安全系統(tǒng)允許核電站操縱員假設(shè)事故發(fā)生后，這樣的

42、安全系統(tǒng)允許核電站操縱員7272小時不干預(yù)，而目前世界上運(yùn)行的核電站的不干預(yù)時間小時不干預(yù)，而目前世界上運(yùn)行的核電站的不干預(yù)時間僅為僅為1010到到3030分鐘，因此系統(tǒng)可以自動應(yīng)對事故分鐘，因此系統(tǒng)可以自動應(yīng)對事故, ,把人為失誤把人為失誤的風(fēng)險降到最小。的風(fēng)險降到最小。AP1000AP1000核電站的非能動安全系統(tǒng)核電站的非能動安全系統(tǒng)浙江三門核電站效果圖及一期建設(shè)場景浙江三門核電站效果圖及一期建設(shè)場景資料：浙江三門核電站資料：浙江三門核電站AP1000巴基斯坦原子能委員會參觀建造中的福清核電巴基斯坦原子能委員會參觀建造中的福清核電站，該電站站，該電站5 5、6 6號機(jī)組將使用號機(jī)組將使用

43、ACP1000ACP1000反應(yīng)堆反應(yīng)堆 資料：第三代核電站范例資料：第三代核電站范例ACP1000 華龍一號由中國兩大核電企業(yè)中國廣核集團(tuán)（華龍一號由中國兩大核電企業(yè)中國廣核集團(tuán)（CGNCGN）和中國核工業(yè)集）和中國核工業(yè)集團(tuán)公司團(tuán)公司 (CNNC)(CNNC)聯(lián)合開展，研發(fā)設(shè)計方案已經(jīng)基本成型，具備開工建設(shè)的聯(lián)合開展，研發(fā)設(shè)計方案已經(jīng)基本成型，具備開工建設(shè)的條件。該技術(shù)融合了條件。該技術(shù)融合了“能動與非能動能動與非能動”先進(jìn)設(shè)計理念，主要技術(shù)指標(biāo)和安先進(jìn)設(shè)計理念，主要技術(shù)指標(biāo)和安全指標(biāo)滿足我國和全球最新安全要求，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。華龍一號全指標(biāo)滿足我國和全球最新安全要求，具有完全自主知

44、識產(chǎn)權(quán)。華龍一號凝聚了中國核電建設(shè)者的智慧和心血，實現(xiàn)了先進(jìn)性和成熟性的統(tǒng)一、安凝聚了中國核電建設(shè)者的智慧和心血，實現(xiàn)了先進(jìn)性和成熟性的統(tǒng)一、安全性和經(jīng)濟(jì)性的平衡、能動與非能動的結(jié)合，具備國際競爭比較優(yōu)勢，有全性和經(jīng)濟(jì)性的平衡、能動與非能動的結(jié)合，具備國際競爭比較優(yōu)勢，有望短時間內(nèi)填補(bǔ)中國國內(nèi)技術(shù)空白，具備參與國際競標(biāo)條件。望短時間內(nèi)填補(bǔ)中國國內(nèi)技術(shù)空白，具備參與國際競標(biāo)條件。資料：第三代核電站范例華龍一號資料：第三代核電站范例華龍一號第四代核電站（研究中）：第四代核電站（研究中）： 主要特征是經(jīng)濟(jì)性高（與天燃?xì)饣鹆Πl(fā)電站相當(dāng)）、安主要特征是經(jīng)濟(jì)性高（與天燃?xì)饣鹆Πl(fā)電站相當(dāng)）、安全性好、廢物產(chǎn)

45、生量小，并能防止核擴(kuò)散。全性好、廢物產(chǎn)生量小，并能防止核擴(kuò)散。 第四代核電站預(yù)期在第四代核電站預(yù)期在20302030年達(dá)到實用化的程度年達(dá)到實用化的程度6.2.1.2 6.2.1.2 核電站的構(gòu)成與工作原理核電站的構(gòu)成與工作原理圖圖6-8 6-8 壓水堆核電站的系統(tǒng)布置示意圖壓水堆核電站的系統(tǒng)布置示意圖 圖圖6-9 6-9 壓水堆核電站工作原理示意圖壓水堆核電站工作原理示意圖 壓水堆電站工作原理動畫演示壓水堆電站工作原理動畫演示（1 1）壓水反應(yīng)堆）壓水反應(yīng)堆圖圖6-11 6-11 壓水堆壓力容器結(jié)構(gòu)部壓水堆壓力容器結(jié)構(gòu)部件示意圖件示意圖 反應(yīng)堆反應(yīng)堆由壓力容器和由壓力容器和堆芯等構(gòu)成。堆芯包

46、括堆芯等構(gòu)成。堆芯包括燃料組件、冷卻劑和控燃料組件、冷卻劑和控制棒束等。制棒束等。圖圖6-12 6-12 主泵機(jī)組主泵機(jī)組 主泵機(jī)組主泵機(jī)組是一回路中高速是一回路中高速轉(zhuǎn)動的設(shè)備，通過推動冷卻劑轉(zhuǎn)動的設(shè)備，通過推動冷卻劑流動將反應(yīng)堆熱量送到蒸汽發(fā)流動將反應(yīng)堆熱量送到蒸汽發(fā)生器，傳遞給二回路。生器，傳遞給二回路。（2 2）主泵機(jī)組）主泵機(jī)組 穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器又稱容積補(bǔ)償器，作又稱容積補(bǔ)償器，作用是補(bǔ)償一回路冷卻水因溫度改用是補(bǔ)償一回路冷卻水因溫度改變引起的回路水容積變化，并調(diào)變引起的回路水容積變化，并調(diào)節(jié)和控制一回路系統(tǒng)冷卻劑的工節(jié)和控制一回路系統(tǒng)冷卻劑的工作壓力。作壓力。圖圖6-13 6-13 穩(wěn)

47、壓器穩(wěn)壓器 （3 3）穩(wěn)壓器）穩(wěn)壓器（4 4）蒸汽發(fā)生器）蒸汽發(fā)生器圖圖6-14 6-14 蒸汽發(fā)生器蒸汽發(fā)生器 蒸汽發(fā)生器蒸汽發(fā)生器是將反應(yīng)堆的熱是將反應(yīng)堆的熱能傳遞給二回路介質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽能傳遞給二回路介質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽的熱交換設(shè)備，由直立式倒的熱交換設(shè)備，由直立式倒U U型型傳熱管束、管板、三級汽水分離傳熱管束、管板、三級汽水分離器及外殼容器等組成。器及外殼容器等組成。（5 5）汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組）汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組 汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組是二回路系是二回路系統(tǒng)的主要設(shè)備，由汽輪機(jī)、發(fā)電統(tǒng)的主要設(shè)備，由汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器和中間汽水分離加熱機(jī)、冷凝器和中間汽水分離加熱器等組成，可將熱能轉(zhuǎn)化為電

48、能。器等組成，可將熱能轉(zhuǎn)化為電能。圖圖6-15 6-15 中國秦山核電站（二中國秦山核電站（二期工程）的汽輪發(fā)電機(jī)組期工程）的汽輪發(fā)電機(jī)組圖圖6-10 6-10 沸水堆核電站發(fā)電原理圖沸水堆核電站發(fā)電原理圖壓水堆核電站與沸水堆核電站的比較壓水堆核電站與沸水堆核電站的比較6.2.2 6.2.2 核能推進(jìn)技術(shù)核能推進(jìn)技術(shù) 將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量帶到蒸汽發(fā)生器，由蒸汽發(fā)生器將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量帶到蒸汽發(fā)生器，由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的飽和蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)，通過變速箱帶動螺旋槳就可產(chǎn)生的飽和蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)，通過變速箱帶動螺旋槳就可為核潛艇、核動力航空母艦和原子能破冰船等提供動力。為核潛艇、核動力航空母艦和原子能破冰船

49、等提供動力。 圖圖6-16 6-16 中國第一艘核潛艇中國第一艘核潛艇 世界上已建造的世界上已建造的核潛艇核潛艇約約500500艘，配備的反應(yīng)堆近艘，配備的反應(yīng)堆近700700座，座，超過了已建造的用于發(fā)電的反應(yīng)超過了已建造的用于發(fā)電的反應(yīng)堆的總數(shù)。堆的總數(shù)。19711971年我國建成第一年我國建成第一艘核潛艇（右圖），并試航成功。艘核潛艇（右圖），并試航成功。19881988年我國成功地完成了從水下年我國成功地完成了從水下核潛艇發(fā)射彈道導(dǎo)彈的試驗。核潛艇發(fā)射彈道導(dǎo)彈的試驗。 傳說中的傳說中的094094彈道導(dǎo)彈核潛艇彈道導(dǎo)彈核潛艇093093攻擊核潛艇攻擊核潛艇資料：中國的核潛艇資料：中國的

50、核潛艇 續(xù)航力大續(xù)航力大。續(xù)航力是指裝一次燃料能持續(xù)航行的距。續(xù)航力是指裝一次燃料能持續(xù)航行的距離。對核潛艇來說，水下續(xù)航力可達(dá)離。對核潛艇來說，水下續(xù)航力可達(dá)7.57.5萬海里，而常規(guī)潛萬海里，而常規(guī)潛艇的水下續(xù)航力只有艇的水下續(xù)航力只有100100400400海里（與航速有關(guān)），因為它海里（與航速有關(guān)），因為它在水下是靠蓄電池作能源來推進(jìn)的，隔一定時間需浮出水面在水下是靠蓄電池作能源來推進(jìn)的，隔一定時間需浮出水面或浮至通氣管深度利用柴油發(fā)電機(jī)組對蓄電池進(jìn)行充電?；蚋≈镣夤苌疃壤貌裼桶l(fā)電機(jī)組對蓄電池進(jìn)行充電。 航速高航速高。核潛艇水下航速可達(dá)。核潛艇水下航速可達(dá)3030節(jié)（節(jié)（1 1節(jié)為

51、節(jié)為1 1海里海里/ /時）時）以上，且經(jīng)常以最大航速航行，而常規(guī)潛艇水下最大航速為以上，且經(jīng)常以最大航速航行，而常規(guī)潛艇水下最大航速為15152020節(jié)，但由于受到蓄電池的限制一般不以最大航速航行。節(jié)，但由于受到蓄電池的限制一般不以最大航速航行。 隱蔽性能好隱蔽性能好。核潛艇在水下停留時間約。核潛艇在水下停留時間約25002500小時，而小時，而常規(guī)潛艇僅常規(guī)潛艇僅10102020小時。小時。 核潛艇的主要優(yōu)點(diǎn)核潛艇的主要優(yōu)點(diǎn) 核動力航空母艦核動力航空母艦同樣具有高航速同樣具有高航速下續(xù)航力大的優(yōu)點(diǎn)，它能長期保持下續(xù)航力大的優(yōu)點(diǎn)，它能長期保持3030節(jié)以上的航速而無須擔(dān)心燃料的消耗，節(jié)以上的

52、航速而無須擔(dān)心燃料的消耗，其續(xù)航力達(dá)其續(xù)航力達(dá)100100萬海里。它不但不需要萬海里。它不但不需要補(bǔ)給燃料的后勤艦隊，還比同等級常補(bǔ)給燃料的后勤艦隊，還比同等級常規(guī)航母多攜帶一倍的航空燃料和武器。規(guī)航母多攜帶一倍的航空燃料和武器。 世界上第一艘核動力航空母艦，世界上第一艘核動力航空母艦，是美國于是美國于19601960年建造的年建造的“企業(yè)號企業(yè)號”航航空母艦，如圖空母艦，如圖6-176-17所示。此外法國也所示。此外法國也擁有核動力航空母艦擁有核動力航空母艦“戴高樂戴高樂”號。號。圖圖6-17 6-17 企業(yè)號核動力航空母艦企業(yè)號核動力航空母艦 1983 1983年年5 5月開工建造，月開工

53、建造，19941994年下水，年下水，20002000年年9 9月正式服役。該航月正式服役。該航母長標(biāo)準(zhǔn)排水量母長標(biāo)準(zhǔn)排水量3550035500噸，滿載排水量噸，滿載排水量3968039680噸，擁有噸，擁有2 2座核反應(yīng)堆，座核反應(yīng)堆，8.38.3萬馬力，航速可達(dá)萬馬力，航速可達(dá)2727節(jié)，核反應(yīng)堆加一次燃料可工作節(jié)，核反應(yīng)堆加一次燃料可工作5 5年以上。年以上。 戴高樂號航母，法國戴高樂號航母，法國資料：法國的核動力航母資料：法國的核動力航母 美國海軍最新一代核動力航空母艦首艦美國海軍最新一代核動力航空母艦首艦“福特福特”號于號于20132013年年1111月月下水。下水?！案Ｌ馗Ｌ亍碧柡?/p>

54、資超過號耗資超過110110億美元，歷時億美元，歷時8 8年時間建造，被稱為當(dāng)年時間建造，被稱為當(dāng)今世界最強(qiáng)一代水上打擊力量。今世界最強(qiáng)一代水上打擊力量。 資料：美國的核動力航母福特號資料：美國的核動力航母福特號中國的核動力航母？中國的核動力航母？中國常規(guī)航母遼寧艦中國常規(guī)航母遼寧艦資料：中國的航母資料：中國的航母 世界上第一艘世界上第一艘核動力破冰船核動力破冰船是是前蘇聯(lián)于前蘇聯(lián)于19591959年建造的。目前世界年建造的。目前世界上最大的核動力破冰船為俄羅斯的上最大的核動力破冰船為俄羅斯的北極級核動力破冰船，其優(yōu)點(diǎn)是：北極級核動力破冰船，其優(yōu)點(diǎn)是： 無須儲備大量燃料，船的載重?zé)o須儲備大量燃

55、料，船的載重量不會因燃料消耗而減小，破冰能量不會因燃料消耗而減小，破冰能力始終保持不變；力始終保持不變； 軸功率可達(dá)軸功率可達(dá)7500075000馬力，能在冰厚為馬力，能在冰厚為 2.02.02.5 2.5 m m的北極區(qū)航行，而常規(guī)破冰船的的北極區(qū)航行，而常規(guī)破冰船的軸功率在軸功率在2500025000馬力左右，一般只馬力左右，一般只能在冰厚為能在冰厚為0.70.70.9 m0.9 m的地方航行；的地方航行； 續(xù)航力不受限制。續(xù)航力不受限制。圖圖6-18 6-18 俄羅斯的俄羅斯的YamalYamal號號北極級核動力破冰船北極級核動力破冰船6.2.3 6.2.3 核能供熱與海水淡化核能供熱與

56、海水淡化 利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量直接供利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量直接供熱，有十分廣闊的市場。例如，建熱，有十分廣闊的市場。例如，建設(shè)一座設(shè)一座2020萬千瓦的低溫供熱堆，每萬千瓦的低溫供熱堆，每年消耗二氧化鈾僅年消耗二氧化鈾僅 1 1 噸，它可以噸，它可以為為500500萬平方米的建筑供暖。而為萬平方米的建筑供暖。而為同樣建筑面積供暖的鍋爐，每年需同樣建筑面積供暖的鍋爐，每年需要燒煤要燒煤3030萬噸。如果以萬噸。如果以1515年為期進(jìn)年為期進(jìn)行比較，核供熱的成本比煤供熱便行比較，核供熱的成本比煤供熱便宜。世界上前蘇聯(lián)，加拿大，瑞典宜。世界上前蘇聯(lián)，加拿大，瑞典和我國都為寒冷地區(qū)建造了低溫供和我國都為

57、寒冷地區(qū)建造了低溫供熱反應(yīng)堆。熱反應(yīng)堆。低溫供熱反應(yīng)堆低溫供熱反應(yīng)堆核技術(shù)應(yīng)用與輻射防護(hù)核技術(shù)應(yīng)用與輻射防護(hù)清華大學(xué)清華大學(xué)5 5兆瓦低溫核供熱堆兆瓦低溫核供熱堆 19861986年開始動工興建，年開始動工興建，19891989年建成投入運(yùn)行。該堆是年建成投入運(yùn)行。該堆是“一體化全一體化全功率自然循環(huán)功率自然循環(huán)”并采用新型水力驅(qū)動控制棒的先進(jìn)反應(yīng)堆，在該堆上并采用新型水力驅(qū)動控制棒的先進(jìn)反應(yīng)堆，在該堆上已成功地進(jìn)行了供熱、制冷、熱電聯(lián)供和海水淡化等試驗，目前正在已成功地進(jìn)行了供熱、制冷、熱電聯(lián)供和海水淡化等試驗，目前正在進(jìn)行進(jìn)行200200兆瓦供熱堆的產(chǎn)業(yè)化工作。兆瓦供熱堆的產(chǎn)業(yè)化工作。 利

58、用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的巨大能量可以有效提高海水淡化利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的巨大能量可以有效提高海水淡化的效率和產(chǎn)量，這在淡水資源嚴(yán)重匱乏的今天具有非?，F(xiàn)的效率和產(chǎn)量，這在淡水資源嚴(yán)重匱乏的今天具有非?，F(xiàn)實的意義。目前，我國已經(jīng)批準(zhǔn)山東省實的意義。目前，我國已經(jīng)批準(zhǔn)山東省200 MW200 MW核能海水淡核能海水淡化項目，該淡化廠設(shè)計規(guī)模為日產(chǎn)高純凈淡水化項目，該淡化廠設(shè)計規(guī)模為日產(chǎn)高純凈淡水1616萬噸，具萬噸，具有很好的競爭力和示范力。有很好的競爭力和示范力。 2012 2012年年7 7月，韓國在世界上首先開發(fā)了既能發(fā)電又能淡月，韓國在世界上首先開發(fā)了既能發(fā)電又能淡化海水的中小型反應(yīng)堆，該堆發(fā)電能力為

59、化海水的中小型反應(yīng)堆，該堆發(fā)電能力為100 MW100 MW，同時還，同時還能將能將4 4萬噸海水凈化為淡水，這些電力和淡水可以滿足一個萬噸海水凈化為淡水，這些電力和淡水可以滿足一個1010萬人口小城市的需求，目前已經(jīng)有多個國家對這種反應(yīng)萬人口小城市的需求，目前已經(jīng)有多個國家對這種反應(yīng)堆產(chǎn)生了興趣，市場潛力巨大。堆產(chǎn)生了興趣，市場潛力巨大。6.3.1 6.3.1 第四代核能系統(tǒng)的概念、起源和發(fā)展第四代核能系統(tǒng)的概念、起源和發(fā)展（1 1）第四代核能系統(tǒng)的概念和內(nèi)涵）第四代核能系統(tǒng)的概念和內(nèi)涵 第四代核能系統(tǒng)第四代核能系統(tǒng)具有預(yù)防和緩解嚴(yán)重事故的措施，是具有預(yù)防和緩解嚴(yán)重事故的措施，是經(jīng)濟(jì)上能與天

60、然氣發(fā)電機(jī)組相競爭的先進(jìn)核能系統(tǒng)。它是經(jīng)濟(jì)上能與天然氣發(fā)電機(jī)組相競爭的先進(jìn)核能系統(tǒng)。它是從循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，將先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)和先進(jìn)核燃料從循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，將先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)和先進(jìn)核燃料循環(huán)技術(shù)作為一個系統(tǒng)工程進(jìn)行研究，而不是孤立地研究循環(huán)技術(shù)作為一個系統(tǒng)工程進(jìn)行研究，而不是孤立地研究反應(yīng)堆技術(shù)本身。第四代核能系統(tǒng)不僅考慮發(fā)電，還將考反應(yīng)堆技術(shù)本身。第四代核能系統(tǒng)不僅考慮發(fā)電，還將考慮供熱、海水淡化和制氫等非電力應(yīng)用。慮供熱、海水淡化和制氫等非電力應(yīng)用。 （2 2）第四代核能系統(tǒng)概念的提出）第四代核能系統(tǒng)概念的提出 1999 1999年年6 6月，美國能源部的核能、科學(xué)與技術(shù)辦公室月，美國能