核能-核電技術(shù)

1、1 第一節(jié)第一節(jié) 2 一、核能概述一、核能概述 1. 1.核電是安全潔凈有競(jìng)爭(zhēng)力的能源核電是安全潔凈有競(jìng)爭(zhēng)力的能源 一座一座100100萬(wàn)千瓦的煤電站每年至少排出萬(wàn)千瓦的煤電站每年至少排出 2400024000噸噸COCO2 2，360360噸噸SOSO2 2,67,67噸噸NONO2 2和和3 3噸噸 其他氣體。其他氣體。 核電站就沒(méi)有這些問(wèn)題。根據(jù)相對(duì)危害指核電站就沒(méi)有這些問(wèn)題。根據(jù)相對(duì)危害指 數(shù)的分析計(jì)算，煤電站氣體排放物對(duì)人們數(shù)的分析計(jì)算，煤電站氣體排放物對(duì)人們 健康的危害比核電站大健康的危害比核電站大18801880倍，燃油電站倍，燃油電站 氣體排放物對(duì)健康的危害比核電站大氣體排放物

2、對(duì)健康的危害比核電站大830830 倍。倍。 3 Coal70 Natural Gas0 Oil 30 Nuclear0 二氧化硫排放二氧化硫排放 ( (1000 1000 兆瓦裝置兆瓦裝置 ) ) （單位：千噸（單位：千噸/ /每年）每年） 4 Coal 26 Natural gas16 Oil 14 Nuclear 0 二氧化氮排放二氧化氮排放 ( (1000 1000 兆瓦裝置兆瓦裝置 ) ) （單位：千噸（單位：千噸/ /每年）每年） 5 Coal 6000 Natural Gas 3000 Oil 5000 Nuclear0 二氧化碳排放二氧化碳排放 ( (1000 1000 兆瓦裝

3、置兆瓦裝置 ) ) （單位：千噸（單位：千噸/ /每年）每年） 6 與煤電站相比，核電站產(chǎn)生的與煤電站相比，核電站產(chǎn)生的廢物廢物只有它的只有它的 十萬(wàn)分之五左右。一座十萬(wàn)分之五左右。一座100100萬(wàn)千瓦煤電站每年萬(wàn)千瓦煤電站每年 消耗消耗煤就算煤就算230230萬(wàn)噸，每天要用萬(wàn)噸，每天要用100100車(chē)皮的火車(chē)皮的火 車(chē)運(yùn)煤；而同樣發(fā)電容量的核電站每年消耗車(chē)運(yùn)煤；而同樣發(fā)電容量的核電站每年消耗 鈾一車(chē)皮。鈾一車(chē)皮。 煤電站每年產(chǎn)生灰渣煤電站每年產(chǎn)生灰渣2525萬(wàn)噸，每天要用萬(wàn)噸，每天要用3030 車(chē)皮的火車(chē)運(yùn)車(chē)皮的火車(chē)運(yùn)渣渣，核電站每年只產(chǎn)生，核電站每年只產(chǎn)生11.611.6噸噸 的各類(lèi)廢物

4、。的各類(lèi)廢物。 核電站產(chǎn)生的核電站產(chǎn)生的放射性廢物放射性廢物包括固體，液體和包括固體，液體和 氣體。其中固體廢物量很少，采取貯存或焚氣體。其中固體廢物量很少，采取貯存或焚 燒后貯存的辦法。排放到環(huán)境中只是廢氣和燒后貯存的辦法。排放到環(huán)境中只是廢氣和 低放廢液。低放廢液。 7 核電站向外界產(chǎn)生微量輻射，但是這種核電站向外界產(chǎn)生微量輻射，但是這種 微量輻射對(duì)人們并不構(gòu)成任何危險(xiǎn)。微量輻射對(duì)人們并不構(gòu)成任何危險(xiǎn)。 我們?nèi)祟?lèi)從古到今一直生活在一個(gè)放射我們?nèi)祟?lèi)從古到今一直生活在一個(gè)放射 性的世界中，我們周?chē)淖匀画h(huán)境充滿(mǎn)性的世界中，我們周?chē)淖匀画h(huán)境充滿(mǎn) 著輻射。這種輻射來(lái)自土壤、水和空氣著輻射。這種輻

5、射來(lái)自土壤、水和空氣 中的中的天然放射性天然放射性（如自然界的（如自然界的元素鈾、元素鈾、 鉀鉀4040和氘和氘等）以及宇宙線輻射。煙草等）以及宇宙線輻射。煙草 中含有微量放射性元素中含有微量放射性元素釙釙210210，這可能，這可能 是導(dǎo)致肺癌的一個(gè)因素。煤電站由于煤是導(dǎo)致肺癌的一個(gè)因素。煤電站由于煤 含有天然放射性材料也放出輻射線。地含有天然放射性材料也放出輻射線。地 熱電站的蒸汽中有時(shí)含有放射性氣體熱電站的蒸汽中有時(shí)含有放射性氣體氡氡。 8 各種液體的放射性水準(zhǔn)各種液體的放射性水準(zhǔn) 核電站排出的水核電站排出的水1 11010微微居里微微居里升升 家用水家用水2020 河水河水101010

6、0100 啤酒啤酒130130 海水海水350350 威士忌酒威士忌酒12001200 牛奶牛奶14001400 9 核電站排放物會(huì)使人的一生壽命縮短核電站排放物會(huì)使人的一生壽命縮短2424秒。這與因秒。這與因 抽煙縮短壽命抽煙縮短壽命7 71010年相比，可以說(shuō)微乎其微年相比，可以說(shuō)微乎其微 減壽因素減壽因素 平均縮短壽命平均縮短壽命 體重超過(guò)正常的體重超過(guò)正常的25% 25% 3.63.6年年 男性比女性短壽男性比女性短壽 3.03.0年年 抽煙每天抽煙每天1 1盒盒 7.07.0年年 每天每天2 2盒盒 10.010.0年年 居住在城市居住在城市 5.05.0年年 19701970年核電

7、站輻射年核電站輻射 小于小于1 1分鐘分鐘 20002000年核電站發(fā)電量年核電站發(fā)電量小于小于3030分鐘分鐘 10 19731973年開(kāi)始，主要工業(yè)國(guó)的核電成本與年開(kāi)始，主要工業(yè)國(guó)的核電成本與 火電相當(dāng)。以后隨著石油調(diào)價(jià)和核電技火電相當(dāng)。以后隨著石油調(diào)價(jià)和核電技 術(shù)的逐步成熟，核電成本已經(jīng)低于油電術(shù)的逐步成熟，核電成本已經(jīng)低于油電 站、煤電站和油煤電站的成本。站、煤電站和油煤電站的成本。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，美、法、英、德國(guó)和加拿大等據(jù)統(tǒng)計(jì)，美、法、英、德國(guó)和加拿大等 國(guó)的國(guó)的核電成本平均比火電低核電成本平均比火電低1 13 3左右左右。 19761976年，美國(guó)由于采用核電節(jié)省了年，美國(guó)由于采用核電

8、節(jié)省了1414億億 美元，相當(dāng)于節(jié)省美元，相當(dāng)于節(jié)省 90009000萬(wàn)噸煤或萬(wàn)噸煤或 3250032500 萬(wàn)桶石油。萬(wàn)桶石油。 11 Energy conversion - FuelsEnergy conversion - Fuels FirewoodFirewood16 MJ/kg16 MJ/kg Brown coalBrown coal9 MJ/kg9 MJ/kg Black coal (low Quality)Black coal (low Quality)13-20 MJ/kg13-20 MJ/kg Black coalBlack coal24-30 MJ/kg24-30 MJ/k

9、g Natural GasNatural Gas39 MJ/m39 MJ/m3 3 Crude OilCrude Oil45-46 MJ/kg45-46 MJ/kg Uranium in light water Uranium in light water reactorreactor 500,000 MJ/kg500,000 MJ/kg 12 二、原子與原子核二、原子與原子核 地球上存在的元素中，第地球上存在的元素中，第92號(hào)元素鈾是號(hào)元素鈾是 唯一容易裂變的元素唯一容易裂變的元素 天然鈾有三種同位素：鈾天然鈾有三種同位素：鈾238，占，占 99.27%；鈾鈾235，占，占0.724%； 鈾

10、鈾234，占，占0.006%。 0.724%為鈾為鈾235的天然豐度。任意的天然豐度。任意 找來(lái)十萬(wàn)個(gè)鈾原子，其中的鈾找來(lái)十萬(wàn)個(gè)鈾原子，其中的鈾235原子原子 是七百多個(gè)。是七百多個(gè)。 13 三、核能的來(lái)源三、核能的來(lái)源 當(dāng)中子和質(zhì)子形成原子核時(shí)會(huì)放出能量，當(dāng)中子和質(zhì)子形成原子核時(shí)會(huì)放出能量， 這樣的能量稱(chēng)為該原子核的這樣的能量稱(chēng)為該原子核的結(jié)合能結(jié)合能。 結(jié)合能的大小可以通過(guò)下列愛(ài)因斯坦的結(jié)合能的大小可以通過(guò)下列愛(ài)因斯坦的 質(zhì)能關(guān)系式質(zhì)能關(guān)系式求得求得 E=mcE=mc2 2(1-1)(1-1) 式中式中 E-E-結(jié)合能結(jié)合能( (焦焦) )，m-m-質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 ( (公斤 公斤) )

11、，c-c-光速光速( (米米/ /秒秒) )。 不同原子核俘獲中子后得到的結(jié)合能不不同原子核俘獲中子后得到的結(jié)合能不 同。同。 14 15 核裂變核裂變 自然界存在的天然鈾由三種同位素自然界存在的天然鈾由三種同位素238U、 235U和 和234U組成，其中僅組成，其中僅235U在熱中子在熱中子 作用下會(huì)發(fā)生裂變，也可用人工方法作用下會(huì)發(fā)生裂變，也可用人工方法(通通 過(guò)反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)反應(yīng)堆運(yùn)行)制取制取233U、239Pu等易裂等易裂 變核素變核素 。目前世界上己建成的核反應(yīng)堆。目前世界上己建成的核反應(yīng)堆 絕大部分是以絕大部分是以235U作為燃料。作為燃料。235U核裂核裂 變反應(yīng)的一般式為變反

12、應(yīng)的一般式為 ： f A Z A Z EnYXnU 1 0 2 2 1 1 1 0 235 92 16 可見(jiàn)每公斤可見(jiàn)每公斤 鈾核裂變所鈾核裂變所 釋放的能最釋放的能最 相當(dāng)相當(dāng)2700噸噸 優(yōu)質(zhì)煤燃燒優(yōu)質(zhì)煤燃燒 所釋故的能所釋故的能 量，即比同量，即比同 樣質(zhì)量的優(yōu)樣質(zhì)量的優(yōu) 質(zhì)煤所放出質(zhì)煤所放出 的能量約大的能量約大 270萬(wàn)倍。萬(wàn)倍。 17 核聚變核聚變 兩個(gè)較輕的原子核聚合成一個(gè)較重的原兩個(gè)較輕的原子核聚合成一個(gè)較重的原 子核，同時(shí)放出巨大的能量，這種反應(yīng)子核，同時(shí)放出巨大的能量，這種反應(yīng) 叫輕核聚變反應(yīng)。它是取得核能的重要叫輕核聚變反應(yīng)。它是取得核能的重要 途徑之一。由于原子核間有很

13、強(qiáng)的靜電途徑之一。由于原子核間有很強(qiáng)的靜電 排斥力，因此在一般條件下，發(fā)生聚變排斥力，因此在一般條件下，發(fā)生聚變 反應(yīng)的概率很小。反應(yīng)的概率很小。 18 在太陽(yáng)等恒星內(nèi)部，因壓力、溫度極高，在太陽(yáng)等恒星內(nèi)部，因壓力、溫度極高， 輕核才有足夠的動(dòng)能去克服靜電斥力而輕核才有足夠的動(dòng)能去克服靜電斥力而 發(fā)生持續(xù)的聚變。自持的核聚變反應(yīng)必發(fā)生持續(xù)的聚變。自持的核聚變反應(yīng)必 須在極高的壓力和溫度下進(jìn)行，故稱(chēng)為須在極高的壓力和溫度下進(jìn)行，故稱(chēng)為 “熱核聚變反應(yīng)熱核聚變反應(yīng)”。它是太陽(yáng)和其他恒。它是太陽(yáng)和其他恒 星能量的來(lái)源。星能量的來(lái)源。 氫彈是利用氫的同位素氘、氚原子核的氫彈是利用氫的同位素氘、氚原子核

14、的 聚變反應(yīng)，瞬時(shí)間釋放出巨額能量以達(dá)聚變反應(yīng)，瞬時(shí)間釋放出巨額能量以達(dá) 到毀傷效果的核武器（也稱(chēng)聚變彈或熱到毀傷效果的核武器（也稱(chēng)聚變彈或熱 核彈）。氫彈爆炸后，它釋放能量的過(guò)核彈）。氫彈爆炸后，它釋放能量的過(guò) 程是不可控制的。為了利用聚變能，人程是不可控制的。為了利用聚變能，人 們還在進(jìn)行們還在進(jìn)行“受控?zé)岷司圩兪芸責(zé)岷司圩儭钡脑囼?yàn)研的試驗(yàn)研 究究 19 20 聚變能一旦成為民用能源，就能徹底解聚變能一旦成為民用能源，就能徹底解 決人類(lèi)的能源問(wèn)題。例如，輕核聚變用決人類(lèi)的能源問(wèn)題。例如，輕核聚變用 的核燃料是的核燃料是氘和鋰氘和鋰-6-6。以氘來(lái)說(shuō)，在海。以氘來(lái)說(shuō)，在海 水中，大約每水中，

15、大約每65006500個(gè)水形式存在的氫原個(gè)水形式存在的氫原 子中就有一個(gè)子中就有一個(gè)氘氘原子。即每立方米海水原子。即每立方米海水 中含有約中含有約3 3克氘。按每個(gè)氘原子反應(yīng)時(shí)平克氘。按每個(gè)氘原子反應(yīng)時(shí)平 均釋放均釋放7 7兆電子伏計(jì)算，則兆電子伏計(jì)算，則1 1米米3 3海水中的海水中的 所有氘聚變后獲得的能量為所有氘聚變后獲得的能量為1212101012 12焦耳， 焦耳， 約相當(dāng)約相當(dāng)2 210103 3桶原油（一桶原油的能量桶原油（一桶原油的能量 約為約為6 610109 9焦耳）。焦耳）。 21 地球上海洋的體積約為地球上海洋的體積約為1.51.510109 9公里公里3 3， 這樣通

16、過(guò)開(kāi)發(fā)氘核聚變可以獲得比世界這樣通過(guò)開(kāi)發(fā)氘核聚變可以獲得比世界 儲(chǔ)油量多儲(chǔ)油量多1010億倍的能量，可供人類(lèi)億倍的能量，可供人類(lèi)500500億億 年之用。而鋰年之用。而鋰-6-6資源的儲(chǔ)量更為豐富資源的儲(chǔ)量更為豐富。 22 對(duì)于受控聚變反應(yīng)來(lái)說(shuō)，核子的平均能對(duì)于受控聚變反應(yīng)來(lái)說(shuō)，核子的平均能 量應(yīng)超過(guò)量應(yīng)超過(guò)5 5千電子伏，這種集合體的有效千電子伏，這種集合體的有效 溫度約溫度約4 410107 7K K。這時(shí)氣體原子分解為正。這時(shí)氣體原子分解為正 電荷核和自由電子。它們的物性完全受電荷核和自由電子。它們的物性完全受 靜電和電磁現(xiàn)象控制，這種電子和離子靜電和電磁現(xiàn)象控制，這種電子和離子 的集合

17、體稱(chēng)為的集合體稱(chēng)為等離子體等離子體，或，或“物質(zhì)的第物質(zhì)的第 四態(tài)四態(tài)”。這種用加熱辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)的核聚。這種用加熱辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)的核聚 變稱(chēng)為熱核聚變。變稱(chēng)為熱核聚變。 23 四、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和反應(yīng)堆分類(lèi)四、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和反應(yīng)堆分類(lèi) 1.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 24 K K有效 有效= = （系統(tǒng)內(nèi)中子的產(chǎn)生率）（系統(tǒng)內(nèi)中子的產(chǎn)生率）/ / （系統(tǒng)（系統(tǒng) 內(nèi)中子的吸收率內(nèi)中子的吸收率+ +系統(tǒng)內(nèi)中子的泄漏率）系統(tǒng)內(nèi)中子的泄漏率） 若若K K有效 有效=1 =1，則堆內(nèi)中子數(shù)達(dá)到平衡。這，則堆內(nèi)中子數(shù)達(dá)到平衡。這 種情況稱(chēng)反應(yīng)堆處于臨界狀態(tài)，穩(wěn)定運(yùn)種情況稱(chēng)反應(yīng)堆處于臨界狀態(tài)，穩(wěn)定運(yùn) 行工況相當(dāng)于這種狀態(tài)。行工況相當(dāng)

18、于這種狀態(tài)。 若若K K有效 有效1 1 1，則堆內(nèi)中子數(shù)將隨時(shí)間增加，則堆內(nèi)中子數(shù)將隨時(shí)間增加 而不斷增加。這種情況稱(chēng)反應(yīng)堆處于超而不斷增加。這種情況稱(chēng)反應(yīng)堆處于超 臨界狀態(tài)。開(kāi)堆或提升功率過(guò)程就相當(dāng)臨界狀態(tài)。開(kāi)堆或提升功率過(guò)程就相當(dāng) 于這種狀態(tài)。于這種狀態(tài)。 因此，對(duì)于一定的幾何布置和材料成分因此，對(duì)于一定的幾何布置和材料成分 組成的反應(yīng)堆達(dá)到臨界狀態(tài)、維持自持組成的反應(yīng)堆達(dá)到臨界狀態(tài)、維持自持 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件稱(chēng)為臨界條件，它要求鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件稱(chēng)為臨界條件，它要求 有一定的核燃料量有一定的核燃料量( (臨界質(zhì)量臨界質(zhì)量) )和一定的幾和一定的幾 何尺寸何尺寸( (臨界尺寸臨界尺寸) )。

19、26 2.反應(yīng)推的分類(lèi)反應(yīng)推的分類(lèi) 按用途來(lái)分，反應(yīng)堆分為按用途來(lái)分，反應(yīng)堆分為生產(chǎn)堆、動(dòng)力堆和研生產(chǎn)堆、動(dòng)力堆和研 究堆。究堆。 生產(chǎn)堆生產(chǎn)堆是生產(chǎn)核武器裝備用的反應(yīng)堆。由于它是生產(chǎn)核武器裝備用的反應(yīng)堆。由于它 為軍用服務(wù)，所以又叫軍用生產(chǎn)堆。為軍用服務(wù)，所以又叫軍用生產(chǎn)堆。 動(dòng)力堆動(dòng)力堆是提供動(dòng)力用的反應(yīng)堆，包括發(fā)電、供是提供動(dòng)力用的反應(yīng)堆，包括發(fā)電、供 熱以及艦艇推進(jìn)用的反應(yīng)堆。其中最主要的是熱以及艦艇推進(jìn)用的反應(yīng)堆。其中最主要的是 核電站和核潛艇用的反應(yīng)堆。核電站和核潛艇用的反應(yīng)堆。 研究堆研究堆是為了從事核物理、反應(yīng)堆材料、核工是為了從事核物理、反應(yīng)堆材料、核工 程等研究用的反應(yīng)堆，

20、也可用來(lái)生產(chǎn)同位素及程等研究用的反應(yīng)堆，也可用來(lái)生產(chǎn)同位素及 進(jìn)行人員培訓(xùn)，它是發(fā)展核動(dòng)力必不可少的工進(jìn)行人員培訓(xùn)，它是發(fā)展核動(dòng)力必不可少的工 具。具。 27 按反應(yīng)堆采用的冷卻劑分類(lèi)按反應(yīng)堆采用的冷卻劑分類(lèi) 水冷堆水冷堆：它采用水作為反應(yīng)堆的冷卻劑。：它采用水作為反應(yīng)堆的冷卻劑。 氣冷堆氣冷堆：它采用氦氣作為反應(yīng)推的冷卻：它采用氦氣作為反應(yīng)推的冷卻 劑。劑。 有機(jī)介質(zhì)堆有機(jī)介質(zhì)堆：它采用有機(jī)介質(zhì)作反應(yīng)堆：它采用有機(jī)介質(zhì)作反應(yīng)堆 的冷卻劑。的冷卻劑。 液態(tài)金屬冷卻堆液態(tài)金屬冷卻堆：它采用液態(tài)金屬鈉作：它采用液態(tài)金屬鈉作 反應(yīng)堆的冷卻劑。反應(yīng)堆的冷卻劑。 28 按反應(yīng)堆采用的核燃料按反應(yīng)堆采用的

21、核燃料 分類(lèi)分類(lèi) 天然鈾堆天然鈾堆。以天然鈾作核燃料。以天然鈾作核燃料。 濃縮鈾堆濃縮鈾堆。以濃縮鈾作核燃料。以濃縮鈾作核燃料。 釷（釷（tutu）堆）堆。以釷作核燃料。以釷作核燃料。 按反應(yīng)堆采用的慢化劑按反應(yīng)堆采用的慢化劑 分類(lèi)分類(lèi) 石墨堆石墨堆：以石墨作慢化劑。：以石墨作慢化劑。 輕水堆輕水堆：以普通水作慢化劑。：以普通水作慢化劑。 重水堆重水堆：以重水作慢化劑。：以重水作慢化劑。 29 按核燃料的分布按核燃料的分布 分類(lèi)分類(lèi) 均勻堆。核燃料均勻分布。均勻堆。核燃料均勻分布。 非均勻堆。核燃料以燃料元件的形式不非均勻堆。核燃料以燃料元件的形式不 均勻分布均勻分布 按中子的能量按中子的能量

22、 分類(lèi)分類(lèi) 熱中子堆熱中子堆：堆內(nèi)核裂變由熱中子引起。：堆內(nèi)核裂變由熱中子引起。 快中子堆快中子堆：堆內(nèi)核裂變由快中子引起：堆內(nèi)核裂變由快中子引起 。 30 五、核電站五、核電站 1.反應(yīng)堆的組成反應(yīng)堆的組成 反應(yīng)堆主要由堆芯、反射層、屏蔽層等反應(yīng)堆主要由堆芯、反射層、屏蔽層等 幾部分組成。幾部分組成。 31 32 2.2.各種類(lèi)型的核電站各種類(lèi)型的核電站 壓水堆核電站壓水堆核電站 壓水堆核電站的發(fā)展大體上經(jīng)歷了四個(gè)階段：壓水堆核電站的發(fā)展大體上經(jīng)歷了四個(gè)階段： 第一階段：實(shí)驗(yàn)型核電站第一階段：實(shí)驗(yàn)型核電站 第二階段：示范型核電站第二階段：示范型核電站 第三階段：商用核電站第三階段：商用核電站

23、 第四階段：?jiǎn)味芽傠姽β试诘谒碾A段：?jiǎn)味芽傠姽β试?0001000兆瓦以上的大兆瓦以上的大 型核電站型核電站 壓水堆核電站是技術(shù)上最為成熟的一種核發(fā)電壓水堆核電站是技術(shù)上最為成熟的一種核發(fā)電 裝置。裝置。 33 34 壓水堆核電站是利用壓水反應(yīng)堆釋放的壓水堆核電站是利用壓水反應(yīng)堆釋放的 熱能進(jìn)行發(fā)電的核動(dòng)力裝置熱能進(jìn)行發(fā)電的核動(dòng)力裝置 。 圖的左半部分稱(chēng)為圖的左半部分稱(chēng)為核供汽系統(tǒng)核供汽系統(tǒng)(或稱(chēng)一回或稱(chēng)一回 路系統(tǒng)路系統(tǒng))，它是將反應(yīng)堆核燃料釋放的熱，它是將反應(yīng)堆核燃料釋放的熱 能送往蒸汽發(fā)生器使之產(chǎn)生蒸汽的裝置。能送往蒸汽發(fā)生器使之產(chǎn)生蒸汽的裝置。 現(xiàn)代大功率壓水堆核電站的核供汽系統(tǒng)現(xiàn)代大

24、功率壓水堆核電站的核供汽系統(tǒng) 一般有一般有24個(gè)并聯(lián)環(huán)路，對(duì)稱(chēng)地布置在個(gè)并聯(lián)環(huán)路，對(duì)稱(chēng)地布置在 反應(yīng)堆壓力容器的四周。每一條環(huán)路都反應(yīng)堆壓力容器的四周。每一條環(huán)路都 由冷卻劑泵、蒸汽發(fā)生器以及相應(yīng)的管由冷卻劑泵、蒸汽發(fā)生器以及相應(yīng)的管 道閥門(mén)組成。此外，核供汽系統(tǒng)還設(shè)有道閥門(mén)組成。此外，核供汽系統(tǒng)還設(shè)有 一臺(tái)穩(wěn)壓器，用來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)的壓力。整一臺(tái)穩(wěn)壓器，用來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)的壓力。整 個(gè)核供汽系統(tǒng)布置在一個(gè)大安全殼內(nèi)。個(gè)核供汽系統(tǒng)布置在一個(gè)大安全殼內(nèi)。 35 圖的右半部分稱(chēng)為熱能圖的右半部分稱(chēng)為熱能-電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng) (或稱(chēng)或稱(chēng)二回路系統(tǒng)二回路系統(tǒng))，它與常規(guī)電站的動(dòng)，它與常規(guī)電站的動(dòng) 力回路沒(méi)有

25、顯著差別。力回路沒(méi)有顯著差別。 熱能電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要由飽和蒸汽汽熱能電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要由飽和蒸汽汽 輪發(fā)電機(jī)組、冷凝器、凝結(jié)水泵、低壓輪發(fā)電機(jī)組、冷凝器、凝結(jié)水泵、低壓 加熱器、給水泵、高壓加熱器、中間去加熱器、給水泵、高壓加熱器、中間去 濕再熱裝置和相應(yīng)的管道閥門(mén)組成。二濕再熱裝置和相應(yīng)的管道閥門(mén)組成。二 回路系統(tǒng)不與帶放射性的物質(zhì)直接接觸，回路系統(tǒng)不與帶放射性的物質(zhì)直接接觸， 因此在正常運(yùn)行時(shí)，它是沒(méi)有放射性的。因此在正常運(yùn)行時(shí)，它是沒(méi)有放射性的。 36 37 按照壓水堆的工作原理，原則上不允許按照壓水堆的工作原理，原則上不允許 冷卻劑水發(fā)生沸騰。冷卻劑水發(fā)生沸騰。 為了得到高溫水，反應(yīng)堆必

26、須在高壓力為了得到高溫水，反應(yīng)堆必須在高壓力 (15.5兆帕左右兆帕左右)狀態(tài)下工作。狀態(tài)下工作。壓水堆壓水堆主主 要由堆芯、堆內(nèi)構(gòu)件、壓力容器和控制要由堆芯、堆內(nèi)構(gòu)件、壓力容器和控制 棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成。棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成。 38 39 壓水堆核電站一回路系統(tǒng)的主要設(shè)壓水堆核電站一回路系統(tǒng)的主要設(shè) 備除反應(yīng)堆外，還有蒸汽發(fā)生器、備除反應(yīng)堆外，還有蒸汽發(fā)生器、 冷卻劑泵、穩(wěn)壓器以及相應(yīng)的管道冷卻劑泵、穩(wěn)壓器以及相應(yīng)的管道 閥門(mén)。閥門(mén)。 蒸汽發(fā)生器是一個(gè)熱交換設(shè)備，用蒸汽發(fā)生器是一個(gè)熱交換設(shè)備，用 來(lái)將冷卻劑的熱量傳遞給二回路側(cè)來(lái)將冷卻劑的熱量傳遞給二回路側(cè) 工質(zhì)工質(zhì)(水水)以產(chǎn)生一定壓力、

27、溫度的以產(chǎn)生一定壓力、溫度的 蒸汽。蒸汽。 40 二回路的主要功用是將蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)二回路的主要功用是將蒸汽發(fā)生器中產(chǎn) 生的蒸汽送往飽和蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生的蒸汽送往飽和蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā) 電。除飽和蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)組外，二回電。除飽和蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)組外，二回 路的大部分設(shè)備及其輔助系統(tǒng)都與常規(guī)路的大部分設(shè)備及其輔助系統(tǒng)都與常規(guī) 電站類(lèi)似。電站類(lèi)似。 41 沸水堆核電站沸水堆核電站 沸水堆也是采用輕水作減速劑和冷卻劑沸水堆也是采用輕水作減速劑和冷卻劑 的，與壓水堆相比較，它具有以下特點(diǎn)：的，與壓水堆相比較，它具有以下特點(diǎn)： （1）在反應(yīng)堆本體內(nèi)直接產(chǎn)生蒸汽，并在反應(yīng)堆本體內(nèi)直接產(chǎn)生蒸汽，并 直接

28、作為工質(zhì)送入汽輪機(jī)。但沸水堆堆直接作為工質(zhì)送入汽輪機(jī)。但沸水堆堆 芯不如壓水堆緊湊，而且芯不如壓水堆緊湊，而且堆內(nèi)布置了噴堆內(nèi)布置了噴 射泵，汽水分離器和干燥器等設(shè)備射泵，汽水分離器和干燥器等設(shè)備，使，使 沸水堆的壓力容器尺寸要比壓水堆的大沸水堆的壓力容器尺寸要比壓水堆的大 得多。得多。 42 （2）沸水堆電站系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，系單回）沸水堆電站系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，系單回 路循環(huán)，提高了電站使用效率路循環(huán)，提高了電站使用效率 （3）因?yàn)樵诜兴讯讶萜鲀?nèi)部的上部布因?yàn)樵诜兴讯讶萜鲀?nèi)部的上部布 置了汽水分離器和蒸汽干燥器，這樣，置了汽水分離器和蒸汽干燥器，這樣， 只能從反應(yīng)堆底部引入控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只能從反

29、應(yīng)堆底部引入控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 及堆芯檢測(cè)儀表系統(tǒng)，因而使維護(hù)檢修及堆芯檢測(cè)儀表系統(tǒng)，因而使維護(hù)檢修 不便，且反應(yīng)堆底部應(yīng)力集中。不便，且反應(yīng)堆底部應(yīng)力集中。 43 （4）沸水堆的蒸汽帶有一定的）沸水堆的蒸汽帶有一定的放射性放射性。 汽輪機(jī)廠房仍需設(shè)置屏蔽，且汽輪機(jī)的汽輪機(jī)廠房仍需設(shè)置屏蔽，且汽輪機(jī)的 設(shè)計(jì)、運(yùn)行及維修都應(yīng)考慮放射性問(wèn)題。設(shè)計(jì)、運(yùn)行及維修都應(yīng)考慮放射性問(wèn)題。 （5）沸水堆裝置采用噴射泵提高冷卻劑）沸水堆裝置采用噴射泵提高冷卻劑 的循環(huán)能力，安全殼帶弛壓系統(tǒng)。的循環(huán)能力，安全殼帶弛壓系統(tǒng)。 （6）沸水堆可用控制棒以及改變?cè)傺h(huán)）沸水堆可用控制棒以及改變?cè)傺h(huán) 泵的流量來(lái)控制調(diào)節(jié)功率。

30、因此運(yùn)行靈泵的流量來(lái)控制調(diào)節(jié)功率。因此運(yùn)行靈 活。但它的燃料比功率小，在同樣功率活。但它的燃料比功率小，在同樣功率 條件下核燃料裝置比壓水堆多條件下核燃料裝置比壓水堆多50%。 44 沸水堆電站與壓水堆電站各有其優(yōu)缺點(diǎn)，沸水堆電站與壓水堆電站各有其優(yōu)缺點(diǎn)， 在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上不相上下。因此有些在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上不相上下。因此有些 國(guó)家，如美國(guó)、日本、聯(lián)邦德國(guó)，在建國(guó)家，如美國(guó)、日本、聯(lián)邦德國(guó)，在建 壓水堆核電站的同時(shí)也建造沸水堆核電壓水堆核電站的同時(shí)也建造沸水堆核電 站。它是目前國(guó)外核電站中僅次于壓水站。它是目前國(guó)外核電站中僅次于壓水 堆的主要堆型之一，約占總核發(fā)電容量堆的主要堆型之一，約占總核發(fā)

31、電容量 的的28%。 45 46 重水堆核電站重水堆核電站 以重水為減速劑的反應(yīng)堆稱(chēng)重水堆。重以重水為減速劑的反應(yīng)堆稱(chēng)重水堆。重 水堆的冷卻劑可以用重水，也可以用輕水堆的冷卻劑可以用重水，也可以用輕 水、有機(jī)物質(zhì)或水、有機(jī)物質(zhì)或COCO2 2氣體。與輕水堆比較，氣體。與輕水堆比較， 重水堆的主要優(yōu)點(diǎn)是：重水堆的主要優(yōu)點(diǎn)是： (1)(1)因重水的中子慢化能力好因重水的中子慢化能力好( (其慢化比其慢化比 是普通水的是普通水的300300多倍多倍) )，故重水堆可以采，故重水堆可以采 用價(jià)格便宜的天然鈾作燃料。用價(jià)格便宜的天然鈾作燃料。 47 (2)(2)能更有效地利用核燃料。重水堆的最能更有效地

32、利用核燃料。重水堆的最 大燃耗深度可達(dá)大燃耗深度可達(dá)8000-100008000-10000兆瓦兆瓦日日/ /噸，噸， 這樣含這樣含235 235U 0.714% U 0.714%的天然鈾可燃燒至的天然鈾可燃燒至 0.13%(0.13%(235 235U) U)，比濃縮鈾廠的尾料中，比濃縮鈾廠的尾料中235 235U U的 的 含量還低含量還低( (一般尾料中合一般尾料中合235 235U U是 是0.25-0.25- 0.30%)0.30%)。同容量的重水堆電站與壓水堆。同容量的重水堆電站與壓水堆 電站比較，重水堆的天然鈾用量比壓水電站比較，重水堆的天然鈾用量比壓水 堆少堆少2020一一30

33、%30%。 48 (3)(3)由于可連續(xù)更換燃料，產(chǎn)钚量比壓水由于可連續(xù)更換燃料，產(chǎn)钚量比壓水 堆的高堆的高2 2倍左右。倍左右。 但是，重水堆的發(fā)展不如輕水堆，主要但是，重水堆的發(fā)展不如輕水堆，主要 問(wèn)題是重水的用量大，而且價(jià)格昂貴；問(wèn)題是重水的用量大，而且價(jià)格昂貴； 重水回路的設(shè)備比較復(fù)雜，造價(jià)比壓水重水回路的設(shè)備比較復(fù)雜，造價(jià)比壓水 堆電站高堆電站高1/41/3；基本投資費(fèi)用比壓；基本投資費(fèi)用比壓 水堆高水堆高15；電成本亦比壓水堆高；電成本亦比壓水堆高25。 此外，重水的泄漏會(huì)造成此外，重水的泄漏會(huì)造成“氚害氚害”，因，因 此防止泄漏和回收泄漏的重水是重水堆此防止泄漏和回收泄漏的重水是

34、重水堆 的一個(gè)特有的安全問(wèn)題。的一個(gè)特有的安全問(wèn)題。 49 重水堆核電站主要是由加拿大發(fā)展起來(lái)重水堆核電站主要是由加拿大發(fā)展起來(lái) 的，六十年代初問(wèn)世，七十年代達(dá)到商的，六十年代初問(wèn)世，七十年代達(dá)到商 用。主要型式是用。主要型式是坎杜坎杜(CANDU)型重水型重水 堆。堆。 Pickering - Ontario Power Generation 8 units - 540 MWe each 50 坎杜坎杜型重水堆型重水堆是以天然鈾作燃料，以是以天然鈾作燃料，以 重水作慢化劑和冷卻劑，用數(shù)百根壓力重水作慢化劑和冷卻劑，用數(shù)百根壓力 管代替整體的壓力容器，構(gòu)成臥式反應(yīng)管代替整體的壓力容器，構(gòu)成臥式

35、反應(yīng) 堆，可通過(guò)增加壓力管數(shù)來(lái)擴(kuò)大堆容量，堆，可通過(guò)增加壓力管數(shù)來(lái)擴(kuò)大堆容量， 有利于標(biāo)準(zhǔn)化，且有利于標(biāo)準(zhǔn)化，且可實(shí)現(xiàn)不停堆裝卸料可實(shí)現(xiàn)不停堆裝卸料。 但是但是坎杜坎杜型堆的重水初裝最大，一座型堆的重水初裝最大，一座 620兆瓦兆瓦(電電)的的坎杜坎杜型堆核電站需要型堆核電站需要 470噸重水。噸重水。 51 52 氣冷堆核電站氣冷堆核電站 氣冷堆是用氣體（氣冷堆是用氣體（二氧化碳或氦氣二氧化碳或氦氣）作）作 冷卻劑、石墨作慢化劑的一種反應(yīng)堆。冷卻劑、石墨作慢化劑的一種反應(yīng)堆。 根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和所選用的核燃料、冷卻根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和所選用的核燃料、冷卻 劑的不同，劑的不同，氣冷堆又可分為鎂諾克斯氣冷

36、堆又可分為鎂諾克斯 （Magnox）氣冷堆、改進(jìn)型氣冷堆）氣冷堆、改進(jìn)型氣冷堆 （AGR）和高溫氣冷堆（）和高溫氣冷堆（HTGR）三種）三種。 在氣冷堆核電站中，通常把從堆芯出來(lái)在氣冷堆核電站中，通常把從堆芯出來(lái) 的高溫氣體輸送到蒸汽發(fā)生器中，將熱的高溫氣體輸送到蒸汽發(fā)生器中，將熱 量傳遞給二回路的給水以產(chǎn)生蒸汽，冷量傳遞給二回路的給水以產(chǎn)生蒸汽，冷 卻后的氣體經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓后再重新回卻后的氣體經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓后再重新回 到堆芯。到堆芯。 53 對(duì)于高溫氣冷堆，也可以不用中間蒸汽對(duì)于高溫氣冷堆，也可以不用中間蒸汽 發(fā)生器，而把高溫氣體直接送入燃?xì)廨啺l(fā)生器，而把高溫氣體直接送入燃?xì)廨?機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電

37、機(jī)發(fā)電。與其他類(lèi)型核電機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。與其他類(lèi)型核電 站相比較，氣冷堆核電站的主要優(yōu)點(diǎn)是站相比較，氣冷堆核電站的主要優(yōu)點(diǎn)是 可在不太高的反應(yīng)堆運(yùn)行壓力下得到較可在不太高的反應(yīng)堆運(yùn)行壓力下得到較 高的冷卻劑出口溫度從而可提高電站的高的冷卻劑出口溫度從而可提高電站的 循環(huán)冷卻劑的流量和加大堆芯的傳熱面循環(huán)冷卻劑的流量和加大堆芯的傳熱面 積。因?yàn)檫@個(gè)緣故，積。因?yàn)檫@個(gè)緣故，氣冷堆的體積大氣冷堆的體積大， 壓送冷卻劑的功率消耗十分可觀（一般壓送冷卻劑的功率消耗十分可觀（一般 約占總生產(chǎn)電能的約占總生產(chǎn)電能的412%），它的堆），它的堆 芯布置也沒(méi)有水冷堆的緊湊。芯布置也沒(méi)有水冷堆的緊湊。 54 快

38、中子增殖反應(yīng)堆快中子增殖反應(yīng)堆 快中子反應(yīng)堆是指由平均能量為快中子反應(yīng)堆是指由平均能量為0.1兆電兆電 子伏以上的子伏以上的快中子快中子引起核裂變的反應(yīng)堆，引起核裂變的反應(yīng)堆， 簡(jiǎn)稱(chēng)為快堆。簡(jiǎn)稱(chēng)為快堆。 在快中子反應(yīng)堆中核燃料每俘獲在快中子反應(yīng)堆中核燃料每俘獲1個(gè)中子個(gè)中子 發(fā)生裂變時(shí)，平均可釋放發(fā)生裂變時(shí)，平均可釋放3個(gè)中子，除需個(gè)中子，除需 1個(gè)中子用來(lái)維持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)外，余下個(gè)中子用來(lái)維持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)外，余下 的中子可以使的中子可以使238U轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢炎兊霓D(zhuǎn)變?yōu)橐琢炎兊?39Pu， 其轉(zhuǎn)換比可以大于其轉(zhuǎn)換比可以大于1（稱(chēng)為增殖比），而（稱(chēng)為增殖比），而 在輕水堆中轉(zhuǎn)換比一般僅為在輕水堆中

39、轉(zhuǎn)換比一般僅為0.5左右，由左右，由 于快堆具有增殖能力，因此通常又稱(chēng)為于快堆具有增殖能力，因此通常又稱(chēng)為 快中子增殖反應(yīng)堆快中子增殖反應(yīng)堆。 55 眾所周知，熱中子反應(yīng)堆核電站的鈾資眾所周知，熱中子反應(yīng)堆核電站的鈾資 源利用率很低，僅為源利用率很低，僅為2%左右，它無(wú)法左右，它無(wú)法 將世界能量有限的鈾資源充分利用，因?qū)⑹澜缒芰坑邢薜拟欃Y源充分利用，因 而，熱中子反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)潛力也是有限而，熱中子反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)潛力也是有限 的。而的。而快堆快堆則不同，從理論上說(shuō)，在快則不同，從理論上說(shuō)，在快 堆的燃料循環(huán)中基本上可以燃盡天然鈾，堆的燃料循環(huán)中基本上可以燃盡天然鈾， 即使考慮到燃耗深度限制和后處理

40、回收即使考慮到燃耗深度限制和后處理回收 損失等因素，鈾資源利用率也可以達(dá)到損失等因素，鈾資源利用率也可以達(dá)到 6070%甚至更高的水平。因此，它是甚至更高的水平。因此，它是 一種被公認(rèn)的有發(fā)展前途的堆型。一種被公認(rèn)的有發(fā)展前途的堆型。 56 快中子反應(yīng)堆內(nèi)的中子應(yīng)保持高速度，快中子反應(yīng)堆內(nèi)的中子應(yīng)保持高速度， 因?yàn)橐坏┲凶颖宦坏看瘟炎兎匆驗(yàn)橐坏┲凶颖宦?，不但每次裂變?應(yīng)產(chǎn)生的中子數(shù)目會(huì)減少，而且低整中應(yīng)產(chǎn)生的中子數(shù)目會(huì)減少，而且低整中 子容易被堆內(nèi)各種材料俘獲，降低增殖子容易被堆內(nèi)各種材料俘獲，降低增殖 能力，所以能力，所以快堆內(nèi)沒(méi)有慢化劑快堆內(nèi)沒(méi)有慢化劑?？於训?。快堆的 冷卻劑必

41、須是導(dǎo)熱性能好而又不會(huì)慢化冷卻劑必須是導(dǎo)熱性能好而又不會(huì)慢化 和俘獲中子的介質(zhì)。常用的較為理想的和俘獲中子的介質(zhì)。常用的較為理想的 快堆冷卻劑有兩種：一種是液態(tài)金屬快堆冷卻劑有兩種：一種是液態(tài)金屬鈉鈉 或鈉鉀合金或鈉鉀合金，另一種是，另一種是氦氣氦氣。因此目前。因此目前 發(fā)展的快中子增殖堆有流態(tài)金屬冷卻快發(fā)展的快中子增殖堆有流態(tài)金屬冷卻快 中子增殖堆（中子增殖堆（LMFBR）和氣體冷卻快中）和氣體冷卻快中 子增殖堆（子增殖堆（GCFBR）兩種。）兩種。 57 液態(tài)金屬冷卻快中子增殖反應(yīng)堆（以下液態(tài)金屬冷卻快中子增殖反應(yīng)堆（以下 簡(jiǎn)稱(chēng)液冷快堆）通常簡(jiǎn)稱(chēng)液冷快堆）通常以鈉作冷卻劑以鈉作冷卻劑。鈉。鈉 是一種堿金屬，原子量為是一種堿金屬，原子量為22.997，熔點(diǎn)，熔點(diǎn) 很低很低(97.9)，對(duì)中子的吸收和慢化作，對(duì)中子的吸收和慢化作 用較小，有優(yōu)異的傳熱能力，沸點(diǎn)很高用較小，有優(yōu)異的傳熱能力，沸點(diǎn)很高 (為為883)，可以使冷卻劑回路在，可以使冷卻劑回路在低壓低壓 高溫高溫下工作。由于工作壓力低，鈉管道下工作。由于工作壓力低，鈉管道 和設(shè)備的泄漏問(wèn)題易于解決，所以鈉是和設(shè)備的泄漏問(wèn)題易于解決，所以鈉是 一種較理想的快堆冷卻劑。一種較理想的快堆冷卻劑。 58 用鈉作冷卻劑的缺點(diǎn)是：用鈉作冷卻劑的缺點(diǎn)是：與水會(huì)發(fā)生劇與水會(huì)發(fā)生劇 烈反應(yīng)烈反應(yīng)，形成氫化物，這些氫