核電基礎(chǔ)知識

1、核電基礎(chǔ)知識第一節(jié)反應(yīng)堆物理基礎(chǔ)一.原子和原子核1.原子的基本概念世界上任何物質(zhì)都是由原子組成的。 原子是進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的最小單位。圖1-1原子結(jié)構(gòu)示意圖O 電子 質(zhì)子O 中子原子是由質(zhì)量相對較 大、體積較小位于原子中心 的原子核和繞其高速運(yùn)轉(zhuǎn) 的軌道電子組成。在所有穩(wěn)定原子中，軌道電子數(shù)等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)，原子作為一個整體是不帶電的當(dāng)原子得到或失去電子，便會得到或失去負(fù)電荷。 呈負(fù)電性或正電性的原子稱為離子。2.原子核的基本概念原子核由A個核子組成（A是核內(nèi)的核子數(shù)，又稱質(zhì)量數(shù)）其中有Z個帶有正電荷的質(zhì)子（Z是原子序數(shù)，即原子核中質(zhì)子的數(shù)量）和N個（N表示核內(nèi)中子數(shù)，N=A-Z）電中性的中子。A4

2、16任何一個原子核X都可用符號zXn來表示，例如，zHe2, 8。8,238A23982 U 146 等等。實(shí)際上，只要簡寫為 X ，它已足以代表一個特定 的核素。原子、原子核、質(zhì)子、中子、電子等微觀粒子的質(zhì)量非常小， 不方便用克或千克作其質(zhì)量的單位。一般用原子質(zhì)量單位（u）來表示微觀粒子的質(zhì)量。對原子來說就是原子量。 1u 是一個碳 -12原子質(zhì)量的十二分之一即 1.66056 X 10-27Kg。質(zhì)子的靜止質(zhì) 量為1.007276U，中子的靜止質(zhì)量為 1.008665U，電子的靜止質(zhì) 量為0.00054858U。一個質(zhì)量數(shù)為A的原子其原子量近似為 A。原子核帶正電，電荷量為 Ze。原子核周

3、圍的電子是按一定規(guī)律分層排列的， 層之間具有能 量的差別。質(zhì)子和中子在結(jié)合成原子核的過程中要損失一部分質(zhì)量 （質(zhì) 量虧損）,這部分質(zhì)量以能量的形式 *= mc2釋放出來。反之， 要使原子核內(nèi)質(zhì)子中子分開， 必須施加與之相等的能量， 此能量 叫結(jié)合能。由于能量和質(zhì)量有內(nèi)在的聯(lián)系，在原子物理學(xué)中，經(jīng)常用能量來表示其質(zhì)量，如 1u 對應(yīng)的能量為 931.5MeV。原子核的放射性原子核內(nèi)具有特定數(shù)目的質(zhì)子和中子并處于同一能態(tài)的一 類原子稱為核素。 某種元素有多少種同位素就有多少種核素。 核 素有的穩(wěn)定，有的不穩(wěn)定。不穩(wěn)定的原子核，總是自發(fā)地以釋放 出粒子（a、B、 n）或Y光子的形式釋放能量以逐步達(dá)到

4、穩(wěn)定 狀態(tài)，這個過程稱為衰變。在衰變過程中放出粒子和光子的現(xiàn)象叫放射性。具有放射性的核素叫放射性核素。原子序數(shù)大于 84 的核素 都有放射性。所有的由一個或多個放射性核素構(gòu)成的物質(zhì)叫放射源。三 核裂變裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，引起了人們極大的注意。這不僅是 因?yàn)樵诹炎冞^程中釋放出巨大的能量， 而且在裂變過程中都伴隨 著中子的發(fā)射。 這些中子將使裂變自動地繼續(xù)下去， 形成鏈?zhǔn)椒?映，從而使原子能大規(guī)模利用成為可能。在沒有外來粒子轟擊下，原子核自行發(fā)生裂變的現(xiàn)象 叫自發(fā)裂變， 而在外來粒子轟擊下， 原子核才發(fā)生裂變的現(xiàn)象成為誘發(fā)裂變。1 自發(fā)裂變自發(fā)裂變的一般表達(dá)式AXZZA11Y1 ZA22Y2在自發(fā)裂變

5、剛發(fā)生的瞬間滿足如下的關(guān)系：A=A1 A2；Z=Z1+Z2即粒子數(shù)守恒。其中，A1、A2和Z1、Z2分別為裂變產(chǎn)物的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)。自發(fā)裂變能 Qf,s =T Y1(Z1,A1) +TY2(Z2,A2) 由能量守恒可以導(dǎo)出：Qf,s =m(Z,A)C 2-m(Z 1,A1)+m(Z2,A2)C 2和Q f,s =B(Z1,A1)+B(Z2,A2)-B(Z,A)自發(fā)裂變發(fā)生的條件： Qf,s > 0，即兩裂片的結(jié)合能大于 裂變核的結(jié)合能。2 誘發(fā)裂變 能夠發(fā)生自發(fā)裂變的核素不多，大量的裂變過程是誘發(fā) 裂變，即當(dāng)具有一定能量的某粒子a轟擊靶核A時，形成復(fù)合核。復(fù)合核一般處于激發(fā)態(tài)，其激發(fā)能超

6、過它的裂變位高 壘高度時，那么核裂變就會立即發(fā)生。誘發(fā)裂變中，中子誘發(fā)裂變是最重要的。這是由于中子 與靶核沒有庫侖勢壘，能量很低的中子就可以進(jìn)入核內(nèi)使其 激發(fā)而發(fā)生裂變。裂變過程又有中子發(fā)射，可以形成鏈?zhǔn)椒?應(yīng)。第二節(jié) 核動力廠反應(yīng)堆一 核反應(yīng)堆的基本工作原理自續(xù)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)是核反應(yīng)堆的物理基礎(chǔ)。 當(dāng)一個燃 料核俘獲一個中子產(chǎn)生裂變后，平均可放出 2.5 個中子， 即第二代中子數(shù)目要比第一代多。 粗粗看起來鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自 續(xù)下去是不成問題的，但實(shí)際情況并非如此。下面以熱中 子反應(yīng)堆為例加以討論。熱堆的堆芯由燃料、慢化劑、冷 卻劑及各種結(jié)構(gòu)材料組成的， 因此堆芯中的中子不可避免 的有一部分被非裂變材

7、料吸收。此外，還有一部分中子要 從堆芯泄漏出去。 即使是被裂變材料吸收的中子也只有一 部分能引發(fā)裂變、 產(chǎn)生下一代中子， 其余的引發(fā)俘獲反應(yīng)， 不產(chǎn)生中子，因此，下一代中子數(shù)不一定比上一代多。核反應(yīng)堆內(nèi)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自續(xù)進(jìn)行的條件可以方便的用 有效增殖系數(shù) K 來表示。它的定義是：K=（系統(tǒng)內(nèi)中子的產(chǎn)生率）/ （系統(tǒng)內(nèi)中子的消失率） 系統(tǒng)內(nèi)中子的消失率=系統(tǒng)內(nèi)中子的吸收率+系統(tǒng)內(nèi)中子的泄漏率只要知道了系統(tǒng)的宏觀截面和中子通量，中子的產(chǎn)生率和吸收率就可以計算出來。若堆芯的有效增殖系數(shù) K=1，則堆芯內(nèi)中子的產(chǎn)生率 等于中子的消失率，堆芯內(nèi)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)將以恒定的速率不 斷進(jìn)行下去，也就是說鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程處于

8、穩(wěn)定狀態(tài)，此時 反應(yīng)堆的狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)。二.核反應(yīng)堆的主要類型目前，在以發(fā)電為目的的核能動力領(lǐng)域， 世界上應(yīng)用比較普遍或具有良好發(fā)展前景的，主要有壓水堆（ PWR,沸水堆（BWR,重水堆（PHW）高溫氣冷堆（HTGR和快中子堆。下表是5種核反應(yīng)堆的基本特征:堆型中子譜慢化劑冷卻劑燃料形態(tài)燃料富集度壓水堆熱中子H2OH2OUO23%左右沸水堆熱中子H2OH2OUO23%左右重水堆熱中子D2OD2OUO2天然鈾或稍 加濃縮高溫氣冷堆熱中子石墨氦氣(Th, U)O2 或UC7%-20%快堆快中子無液態(tài)鈉(U , Pu) O215%-20%下表為世界核電機(jī)組類型統(tǒng)計表（截止到2006年1月25日）種

9、類型式運(yùn)行機(jī)組在建機(jī)組關(guān)閉機(jī)組機(jī)組數(shù)%容量MW (e)%機(jī)組數(shù)%機(jī)組數(shù)%石墨堆AGR148.683806.004.25143.6GCR822840LWGR167114041重水堆PHWR411 9.3209635.7729.21210.3快堆FBR30.710390.314.265.11 壓水堆 (PWR) 壓水堆最初是美國為核潛艇設(shè)計的一種熱中子堆堆型。 四十多年來，這種堆芯得到了很大的發(fā)展，經(jīng)過一系列的重 大改進(jìn)，已經(jīng)成為技術(shù)上最先進(jìn)的一種堆型。壓水堆核電站采用稍加濃縮的鈾作為核燃料，燃料芯塊 中 U-235 的富集度約 3。核燃料是高溫?zé)Y(jié)的圓柱型二氧化 鈾陶瓷燃塊。柱狀燃料芯塊被封裝在

10、細(xì)長的鋯合金包殼管中 構(gòu)成燃料元件，這些燃料元件以矩形點(diǎn)陣排列為燃料組件。 幾百個組件拼裝成壓水堆的堆芯。壓水堆的冷卻劑是輕水。輕水不僅價格便宜，而且具有良好的熱傳輸性能。所以在壓水堆中，輕水不僅作為中子的慢化劑，同時也作為冷卻劑。輕水的明顯缺點(diǎn)是沸點(diǎn)低，而 要使熱力系統(tǒng)有較高的熱能傳輸效率，必須提高冷卻劑的系 統(tǒng)壓力使其處于液壓狀態(tài)。所以壓水堆是一種使冷卻劑處于 高壓狀態(tài)的輕水堆。壓水堆冷卻劑入口水溫在 300 C左右，堆 內(nèi)壓力15.5MP&下圖為壓水堆的熱力系統(tǒng)示意圖。TurbineContainment structureControl rodsReactorcorePress

11、ure vessel、Steam generator®p p *7- - dGeneratorPump壓水堆核電站的最顯著的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，堆芯的功率 密度大。由于水中的氫原子核與中子相當(dāng)，每次碰撞時，中子損失的能量最多。因此，在各種慢化劑中，水的慢化能力最強(qiáng)。同時水也是良好的冷卻劑，它比熱大，導(dǎo)熱系數(shù)高，在堆內(nèi)不易被活化，不容易腐蝕不銹鋼、鋯等結(jié)構(gòu)材料。所以用水作慢化劑和冷卻劑。壓水堆核電站另一個特點(diǎn)是基建 費(fèi)用低、建設(shè)周期短。壓水堆核電站的主要缺點(diǎn)是兩個：第一，由于水的沸點(diǎn) 低，必須采用高壓的壓力容器，導(dǎo)致壓力容器的制造難度和 制造費(fèi)用的提高。第二，必須采用有一定富集度的核燃料。

12、2 沸水堆在壓水堆核電站中，一回路的冷卻劑通過堆芯時被加熱，隨后在蒸汽發(fā)生器中將熱量傳給二回路的水使之沸騰產(chǎn)生蒸汽。那么可不可以讓水在堆內(nèi)沸騰產(chǎn)生蒸汽呢。沸水堆正是 為回答這個問題而衍生出來的。下圖是沸水堆的示意圖：反應(yīng)堆與壓水堆相比，沸水堆有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：直接循環(huán)。核反應(yīng)堆產(chǎn)生的蒸汽直接引入汽輪機(jī)， 推動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。這是沸水堆與壓水堆最大的區(qū) 別。沸水堆核電站省去一個回路，不再需要穩(wěn)壓器和蒸汽 發(fā)生器。工作壓力可以降低。獲得與壓水堆同樣的溫度，只 需加壓到7MPa左右。堆芯出現(xiàn)空泡。沸水堆堆內(nèi)有氣泡。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積 累表明，在任何工況下慢化劑空泡系數(shù)均為負(fù)值，空泡的 負(fù)反饋是沸水堆的固有特性，它使反應(yīng)堆更加穩(wěn)定。與壓水堆相比，沸水堆有以下幾個缺點(diǎn)：輻射防護(hù)和廢物處理較復(fù)雜。功率密度比壓水堆小。水沸騰后密度降低，慢化能力減弱。3 重水堆重水堆是指用重水（D20）作慢化劑的反應(yīng)堆。按結(jié)構(gòu)分，重水堆可以分為壓力管式和壓力殼式。采用壓力管式時，冷卻劑可以與慢化劑相同也可以不同。壓力管式重水堆又分為立式和臥式兩種。壓力殼式只有立式，冷卻劑與慢化劑相同