核電知識(shí)初學(xué)者適用

核電知識(shí)概述初學(xué)者完整了解核電知識(shí)現(xiàn)在是1頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity一、核能發(fā)電的基本原理核電站介紹

目前全世界正在運(yùn)行的核電站大約440座；核電的發(fā)電量占全世界總發(fā)電量的16%；中國0.7%，核電站的存在大大緩解了世界能源的緊張問題。核電機(jī)組：美國104套，法國59套，日本54套，俄羅斯30套，英國27套，中國8套核電站的優(yōu)點(diǎn)是：

1.燃料消耗量量少

2.對(duì)環(huán)境影響小

3.功率大

4.發(fā)電成本低。現(xiàn)在是2頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity1.燃料消耗量量少“燃燒”

1千克鈾-235放出熱量19，600，000，000千卡燃燒1千克標(biāo)準(zhǔn)煤放出熱量7，000千卡燃燒1升重油放出熱量9，900千卡燃燒1立方米天然氣放出熱量9，800千卡

不難算出，1千克鈾-235裂變放出的熱量相當(dāng)于燃燒約2，700噸標(biāo)準(zhǔn)煤。同一質(zhì)量下，核能比化學(xué)能大幾百萬倍?，F(xiàn)在是3頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity2.對(duì)環(huán)境影響小

一座100萬千瓦核電廠，一年所燒的燃料只有20～30噸核燃料，而一座100萬千瓦的煤電廠，一年要燒掉200～300萬噸煤。燃燒的煤每天需要約100節(jié)火車皮運(yùn)輸，而同樣規(guī)模的核電廠，全年使用的燃料只需要幾輛卡車運(yùn)輸。

25噸/每年

核燃料煤300萬噸/年

煤灰現(xiàn)在是4頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity二、核動(dòng)力的發(fā)展歷史世界上第一個(gè)核反應(yīng)堆1939年德國人哈恩和史特拉斯曼在用中子轟擊鈾核企圖制取新的超鈾元素，意外的發(fā)現(xiàn)這一過程會(huì)產(chǎn)生一些強(qiáng)的放射性物質(zhì)，后來經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)是鈾-235原子核產(chǎn)生了裂變，裂變后產(chǎn)生兩個(gè)帶有放射性的碎片。

原子核能夠裂變這一事實(shí)引起了物理界的極大興趣，后來的研究發(fā)現(xiàn)，裂變過程還會(huì)發(fā)出新的中子從而可以引起進(jìn)一步的裂變。現(xiàn)在是5頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity鈾核裂變可產(chǎn)生巨大能量進(jìn)一步的研究表明：裂變過程可以產(chǎn)生巨大的能量92U235+0n1→

F1+F2+(2~3)

0n1

+200MeV能量這一能量是裂變過程原子核的質(zhì)量虧損產(chǎn)生的裂變前：一個(gè)鈾-235核質(zhì)量為235.124，一個(gè)中子質(zhì)量是1.009，合計(jì)236.133；反應(yīng)后:裂變碎片和中子的質(zhì)量和是235.918，質(zhì)量虧損0.215。由愛因斯坦定律：E=M?c2,

光速c=3?108（m/s）這樣計(jì)算結(jié)果每次裂變產(chǎn)生月200MeV的能量現(xiàn)在是6頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity第一座核反應(yīng)堆的誕生

1942年12月2日，在美國芝加哥大學(xué)的的一個(gè)市內(nèi)球場(chǎng)里，以物理學(xué)家費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在進(jìn)行一次歷史意義的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置有1400多噸石墨塊砌成的扁球狀體，里面裝了41噸天然鈾燃料，燃料裝在石墨塊的預(yù)留孔中，這個(gè)裝置直徑7.3米，高6米，由于形狀像個(gè)堆，所以最初叫做原子堆，后來叫做反應(yīng)堆，這個(gè)名字延續(xù)至今。現(xiàn)在是7頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity世界第一座核電站

核裂變反應(yīng)可控并能發(fā)出能量這一研究成果很快引起了世界的關(guān)注。

1954年6月27日，世界上第一個(gè)核電站啟動(dòng)成功，這就是前蘇聯(lián)的“奧布寧斯克”核電站。他的電功率是5000千瓦。現(xiàn)在是8頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity核電站發(fā)展的幾個(gè)階段1、成長和成熟期

上世紀(jì)50-60年代，屬于核電站的成長發(fā)育時(shí)期，這一時(shí)期建造了各式各樣的核電站，反應(yīng)堆堆型有，壓水堆、沸水堆、石墨堆、重水堆、鎂諾克斯（Magnox）反應(yīng)堆。具有代表性的是Shippingport,Dresden,fermil等;這一時(shí)期的反應(yīng)堆稱為原型堆，這些核電站成為第一代核電站。這一時(shí)期核電的特點(diǎn)是，堆型很多，發(fā)電功率不大，技術(shù)不太成熟。這一階段美國共研究了20多種堆型，建造了10多種類型的反應(yīng)堆，最后確定壓水堆和沸水堆最為重點(diǎn)?，F(xiàn)在是9頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity各種反應(yīng)堆現(xiàn)在是10頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity2、核電大發(fā)展時(shí)期

在70年代核電站已經(jīng)商業(yè)化，核電經(jīng)歷了快速發(fā)展時(shí)期。這一時(shí)期最有代表性的是美國，1973年，美國核電站總裝機(jī)容量2520萬千瓦，占世界的62%，這一階段美國每年平均要建10個(gè)以上的核電站。這一時(shí)期核電站的技術(shù)也趨于成熟，具有代表性的堆型是壓水堆，其次是沸水堆和重水堆（CANDU）。這一時(shí)期的反應(yīng)堆通常稱為商用堆，反應(yīng)堆的部件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。這一時(shí)期的核電站成為第二代核電站，主要以分散式的壓水反應(yīng)堆為主，這是目前世界上使用最多的一種核電站?，F(xiàn)在是11頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity3、核電發(fā)展的低潮時(shí)期

1979年美國三哩島核電站發(fā)生了嚴(yán)重事故，是世界震驚，人們開始懷疑核電站的安全性；

1986年前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站發(fā)生了世界核電史上最嚴(yán)重的事故，反應(yīng)堆解體，大量放射性泄漏。事故時(shí)死亡31人，事故使13.5萬人疏散，直接經(jīng)濟(jì)損失60億美元。該事故的發(fā)生使很多人對(duì)核電產(chǎn)生了恐懼心理，西方一些國家反對(duì)核電的的勢(shì)力在增強(qiáng)，這些使核電的發(fā)展進(jìn)入低潮。現(xiàn)在是12頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity4、核電發(fā)展存在的問題核事故的特殊性事故的嚴(yán)重性,對(duì)人類社會(huì)及環(huán)境的影響區(qū)域巨大,后果的持久性形成核恐懼情緒事故的風(fēng)險(xiǎn)性能動(dòng)安全堆芯熔化風(fēng)險(xiǎn)10-4/堆年投資風(fēng)險(xiǎn)冗余保護(hù)放射性風(fēng)險(xiǎn)10-5/堆年公眾接受經(jīng)濟(jì)性投資大建設(shè)周期長(5年以上)追求安全性，又使投資經(jīng)濟(jì)性下降（PWR的閥門數(shù)是火電廠的8~10倍）現(xiàn)在是13頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity5、核電發(fā)展的新高潮世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，需要大量的能源，化石燃料面臨日益緊張的趨勢(shì)，世界面臨新的能源危機(jī)，目前能夠大規(guī)模使用的能源只有核能。兩次大的核電站事故后，人們開始總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，在核電站的安全研究方面取得了很大的進(jìn)展，采用了非能動(dòng)安全、固有安全等新的理念，使核電站的安全可靠性更高。開始使用第三代先進(jìn)輕水堆核電站，代表性的是AP-1000、EPR-1000、ABWR等先進(jìn)反應(yīng)堆，特點(diǎn)是：固有安全性，先進(jìn)的操作管理系統(tǒng)等。現(xiàn)在是14頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity核電的發(fā)展歷史第一代早期的原型堆如shippingport(60年代)第二代目前商用堆PWR、BWR、CANDU(70-90年代)

第三代先進(jìn)反應(yīng)堆(URD)、AP-600、AP-1000、ABWR、80+、堆芯熔化概率

<10-5/堆年放射性泄漏概率

<10-6/堆年設(shè)計(jì)壽命60年換料周期18-24個(gè)月電廠利用率87%建造周期48個(gè)月現(xiàn)在是15頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity各代核電設(shè)計(jì)指標(biāo)比較安全性項(xiàng)目第二代第三代第四代設(shè)計(jì)思想冗余保護(hù)固有安全設(shè)計(jì)原則能動(dòng)安全非能動(dòng)安全非能動(dòng)安全堆芯熔化概率10-4~10-510-5~10-6論證不會(huì)發(fā)生,極低概率放射性外泄概率10-6不需要場(chǎng)外應(yīng)急響應(yīng)現(xiàn)在是16頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity各代核電設(shè)計(jì)指標(biāo)比較經(jīng)濟(jì)性項(xiàng)目第二代第三代第四代建造周期(月)>6048

48(從合同簽訂)36(第一罐混凝土澆注)設(shè)計(jì)壽命(年)4060>60

發(fā)電成本(美分/KWH)7.8~106.53投資成本($/KWH)>180013001000廢物未提最少廢物量禁止核擴(kuò)散未提未提具有內(nèi)在和外在防擴(kuò)散現(xiàn)在是17頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversityAP600

無人訂貨，規(guī)模太小，經(jīng)濟(jì)性，規(guī)模效應(yīng)（退役費(fèi)用比預(yù)估大）

APWR1000MW(100萬千瓦）APWR1500

SPWR（SimplifiedPWR)

ABWR

日本兩座ABWR-1300（K6，K7）96年先后投入商業(yè)運(yùn)行新型BWRESBWR（EconomicSBWR)

目前競爭堆型：APWREPWRESBWR第三代核電近況現(xiàn)在是18頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity三、核電站基礎(chǔ)知識(shí)

當(dāng)核燃料的質(zhì)量和體積達(dá)到一定量后，在中子作用下裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就可以維持下去，采用控制棒控制這一鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就可以按需要輸出能量。使核燃料產(chǎn)生的熱量可控的釋放出來,并將產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳出做功,需要一個(gè)非常復(fù)雜的過程及設(shè)備。

現(xiàn)在是19頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity核反應(yīng)堆

目前世界上正在運(yùn)行的核電站反應(yīng)堆由以下幾種1、壓水反應(yīng)堆2、沸水反應(yīng)堆3、重水反應(yīng)堆4、石墨慢化水冷反應(yīng)堆5、石墨慢化氣冷反應(yīng)堆6、液態(tài)金屬冷卻快中子反應(yīng)堆其中使用最多的是壓水反應(yīng)堆，這是目前技術(shù)比較成熟、安全可靠性較好的反應(yīng)堆?，F(xiàn)在是20頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity反應(yīng)堆本體現(xiàn)在是21頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity反應(yīng)堆堆芯現(xiàn)在是22頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity燃料元件和組件現(xiàn)在是23頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity核燃料

鈾在地球上的儲(chǔ)量較多，但埋藏十分分散，油礦的特點(diǎn)是品位低，礦體分散，規(guī)模小，鈾的化學(xué)性質(zhì)活潑，喜歡與其它元素形成復(fù)合礦。天然鈾包括U-238和U-235，U-235占0.72%。反應(yīng)堆用燃料U-235富集度為3-5%；原子彈為90%以上。將U-235和U-238分開是一個(gè)非常困難的工作。目前采用擴(kuò)散法和離心法分離。現(xiàn)在是24頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity離心分離法是鈾濃縮的另一種方法

在反應(yīng)堆內(nèi)可以將U-238轉(zhuǎn)變成Pu-239

U-238+0n1

→U-239→NP-239→Pu-239利用快中子反應(yīng)堆，可以將U-238轉(zhuǎn)換成Pu-239，使世界上的U-238資源得以利用?，F(xiàn)在是25頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity

蒸汽發(fā)生器是壓水堆冷卻劑系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)備，目前核電站使用的蒸汽發(fā)生器有U型管式自然循環(huán)蒸發(fā)器和直流蒸發(fā)器兩種類型。核動(dòng)力系統(tǒng)與設(shè)備現(xiàn)在是26頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity蒸汽輪機(jī)現(xiàn)在是27頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity四、核動(dòng)力的發(fā)展與未來

水下潛器

潛器用小型核反應(yīng)堆現(xiàn)在是28頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity五、核安全核安全的目標(biāo)

核安全的總目標(biāo)是：在核電廠里建立并維持一套有效的防護(hù)措施，保證工作人員、社會(huì)及環(huán)境免遭放射性危害。確保在正常運(yùn)行是核電廠釋放的放射性物質(zhì)保持在盡量低的水平。保證事故情況下放射性物質(zhì)不外漏。從技術(shù)上預(yù)防核電廠事故的發(fā)生，確保那些會(huì)帶來嚴(yán)重后果的嚴(yán)重事故發(fā)生的概率非常低。現(xiàn)在是29頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity核安全基本知識(shí)

由于反應(yīng)堆采用低濃鈾,因此決定了它不會(huì)象其它原子彈那樣產(chǎn)生爆炸.反應(yīng)堆的潛在威脅在于反應(yīng)堆內(nèi)的放射性物質(zhì)外漏。

1.放射性物質(zhì)的由來裂變產(chǎn)生的碎片都是不穩(wěn)定核，包括有氪、氙、碘、銫等約250種同位素。這些元素都具有很強(qiáng)的放射性。

2.多道屏障為了保證核動(dòng)力的安全的需要，設(shè)置多道屏障保正放射性物質(zhì)不漏出。

現(xiàn)在是30頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity多道屏障現(xiàn)在是31頁\一共有44頁\編輯于星期四核電廠安全設(shè)計(jì)的基本原則1單一故障原則系統(tǒng)中任何部位發(fā)生單一隨機(jī)故障時(shí)，仍能保持所賦予的功能。

2多樣性原則用于執(zhí)行同一功能的多重系統(tǒng)或部件，通過在系統(tǒng)或部件中引入不同屬性來提高系統(tǒng)的可靠性。如采用不同的工作原理、不同的物理變量、不同的運(yùn)行條件及使用不同制造廠的產(chǎn)品。

3獨(dú)立性原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過功能隔離或?qū)嶓w分隔，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)布置和設(shè)計(jì)的獨(dú)立性。HarbinEngineeringUniversity現(xiàn)在是32頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity3.核反應(yīng)堆原子彈的差別

核反應(yīng)堆是個(gè)可以根據(jù)需要控制其輸出能量的反應(yīng)器。原子彈中的核反應(yīng)過程是不可控的，瞬時(shí)爆炸釋放出大量能量。核反應(yīng)堆中使用的是低濃鈾2–3%；原子彈中使用的是高濃縮的鈾（92U235的富集度在90%以上），大約16公斤鈾能做一顆原子彈?，F(xiàn)在是33頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity4.目前核動(dòng)力的應(yīng)用還存在以下兩個(gè)問題：（1）存在潛在的安全問題。目前的核動(dòng)力裝置還不能做到百分之百的不泄漏，人們對(duì)核電站的安全還存在疑慮。（2）核動(dòng)力退役后，所用過的設(shè)備要進(jìn)行處理。一部分帶有強(qiáng)放射性的廢料要用特殊的方法封裝，埋到人煙稀少的地方，退役的費(fèi)用較高，并對(duì)環(huán)境有一定的危害?，F(xiàn)在是34頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity六、核電技術(shù)未來的發(fā)展

2002年9月，美、日、英、法、加、巴西、阿根廷、南非、瑞士等國在東京召開第四代核反應(yīng)堆國際論壇（GIF）達(dá)成共識(shí)，開發(fā)以下6種新一代反應(yīng)堆超臨界水冷反應(yīng)堆（SCWR）氣冷快堆（GFR）超高溫氣冷堆（VHTR）鈉冷快堆（SFR）鉛冷快堆（LFR）溶鹽堆（MSR）經(jīng)過討論一致認(rèn)為SCWR為最有前景的第四代反應(yīng)堆。第四代反應(yīng)堆的概念現(xiàn)在是35頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity超臨界的概念現(xiàn)在是36頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity現(xiàn)在是37頁\一共有44頁\編輯于星期四HarbinEngineeringUniversity超臨界核電站可借鑒技術(shù)

超臨界火力電廠已獲得成功發(fā)展目前上已建成462座燃煤超臨界電廠總裝機(jī)容量約269GW

最新建設(shè)的火力電廠已大部分為超臨界電廠：η>45%，10～20年內(nèi)，至少50％為超臨界，取代現(xiàn)