核能發(fā)電利用技術(shù)

1、新能源技術(shù)與工程課程報(bào)告目 錄1 核能簡介12 核能原料的儲(chǔ)量13 核能發(fā)電23.1 核能發(fā)電原理23.2 核反應(yīng)堆類型33.2.1 壓水堆33.2.2 沸水堆33.2.3 重水堆43.3 反應(yīng)堆核心組件53.3.1 慢化劑53.3.2 控制棒53.2.3 冷卻劑63.2.4 屏蔽層64 核電的利與弊74.1 核電的優(yōu)點(diǎn)74.2 核電的缺點(diǎn)75 我國核電發(fā)展情況86 總結(jié)10新能源技術(shù)與工程課程報(bào)告核能利用技術(shù)1 核能簡介隨著世界人口的持續(xù)增長及發(fā)展中國家人民生活水平的逐步提高，化石燃料的消耗將會(huì)加快，加強(qiáng)可再生能源的利用得到強(qiáng)烈響應(yīng)，風(fēng)能、太陽能、水能及生物質(zhì)能等越來越受重視。但這些能源或多

2、或少尚有問題，如風(fēng)能、太陽能的持續(xù)供電問題，水能及生物質(zhì)能的資源有限問題等，因此核能理所當(dāng)然地為人們所重視。核能又稱“原子能”，即原子核發(fā)生變化時(shí)釋放的能量，如重核裂變和輕核聚變時(shí)所釋放的巨大能量，是通過轉(zhuǎn)化其質(zhì)量從原子核釋放的能量，符合愛因斯坦提出的質(zhì)能轉(zhuǎn)換方程。釋放能量的形式有三種：核裂變、核聚變、核衰變。20世紀(jì)，核能首先是應(yīng)用在作為武器的軍事方面，后來才作為一種新能源用于民用核動(dòng)力工業(yè)，從而開辟了發(fā)展能源工業(yè)的一條新路，改變了全球燃料資源有限的狀況，改善了化石燃料燃燒時(shí)所造成的環(huán)境污染。核電作為清潔能源目前已被世界大多數(shù)人們所認(rèn)識(shí)。2 核能原料的儲(chǔ)量據(jù)估計(jì)，在世界上核裂變的主要燃料鈾和

3、釷的儲(chǔ)量分別約為490萬噸和275萬噸。這些裂變?nèi)剂献憧梢杂玫骄圩兡軙r(shí)代。輕核聚變的燃料是氘和鋰，1升海水能提取30毫克氘，在聚變反應(yīng)中能產(chǎn)生約等于300升汽油的能量，即1升海水約等于300升汽油，地球上海水中有40多萬億噸氘，足夠人類使用百億年。地球上的鋰儲(chǔ)量有2000多億噸，鋰可用來制造氚，足夠人類在聚變能時(shí)代使用。況且以目前世界能源消費(fèi)的水平來計(jì)算，地球上能夠用于核聚變的氘和氚的數(shù)量，可供人類使用上千億年。因此，有關(guān)能源專家認(rèn)為，如果解決了核聚變技術(shù)，那么人類將能從根本上解決能源問題。3 核能發(fā)電3.1 核能發(fā)電原理核能發(fā)電的能量來自核反應(yīng)堆中可裂變材料(核燃料)進(jìn)行裂變反應(yīng)所釋放的裂變

4、能。裂變反應(yīng)指鈾-235、钚-239、鈾-233等重元素在中子作用下分裂為兩個(gè)碎片，同時(shí)放出中子和大量能量的過程。反應(yīng)中，可裂變物的原子核吸收一個(gè)中子后發(fā)生裂變并放出兩三個(gè)中子。若這些中子除去消耗，至少有一個(gè)中子能引起另一個(gè)原子核裂變，使裂變自持地進(jìn)行，則這種反應(yīng)稱為鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是核能發(fā)電的前提。利用核反應(yīng)堆中核裂變所釋放出的熱能進(jìn)行發(fā)電的方式，它與火力發(fā)電極其相似。只是以核反應(yīng)堆及蒸汽發(fā)生器來代替火力發(fā)電的鍋爐，以核裂變能代替礦物燃料的化學(xué)能。除沸水堆外，其他類型的動(dòng)力堆都是一回路的冷卻劑通過堆心加熱，在蒸汽發(fā)生器中將熱量傳給二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)。沸水

5、堆則是一回路的冷卻劑通過堆心加熱變成70個(gè)大氣壓左右的飽和蒸汽，經(jīng)汽水分離并干燥后直接推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)。如圖1所示為壓水堆核電站示意圖：圖1 核能發(fā)電原理圖3.2 核反應(yīng)堆類型核反應(yīng)堆，又稱為原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配了核燃料以實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？煽刂屏炎冩?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。核反應(yīng)堆的種類很多，這里只介紹比較典型的壓水堆、沸水堆和重水堆等，其他堆型與之類似。3.2.1 壓水堆首先是壓水反應(yīng)堆（如圖1），目前世界上所有的商業(yè)堆，基本上都是利用核裂變熱使水沸騰以產(chǎn)生燕汽的系統(tǒng)。壓水堆的結(jié)構(gòu)實(shí)際上與火電站的內(nèi)核很相似，只是提供動(dòng)力的原料不同。壓水堆的熱效率不高,僅為33%左右。壓水堆的堆芯近似為圓柱形。一般的高度

6、約為4.2米，直徑約3.4米。它由約40000根左右的燃料棒組成。每約200根左右的棒組合成一個(gè)燃料組件，組件的橫截面為正方形，邊長約為0.2米。燃料是3%濃縮鈾235的二氧化鈾，做成圓柱形芯塊，典型的尺寸是長15mm、直徑約9.4mm。芯塊用陶瓷工藝制造，包括粉末狀物質(zhì)的燒結(jié)和壓縮。燃料芯塊堆盛在鋯合金管中,此鋯合金管稱為包殼。壓水堆主要回路有一回路和二回路。一回路就是燃料冷卻回路。一回路的水將燃料產(chǎn)生的熱t(yī)傳送到燕汽發(fā)生器中，一般有二至四條獨(dú)立的蒸汽發(fā)生器環(huán)路互相并聯(lián)。一個(gè)反應(yīng)堆都有一臺(tái)穩(wěn)壓器使一回路的水壓維持穩(wěn)定。在蒸汽發(fā)生器中，熱能從一回路傳到二回路。二回路包括一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組、一個(gè)汽

7、輪機(jī)旁路、一個(gè)向大氣排汽的系統(tǒng)、一個(gè)凝汽器、數(shù)臺(tái)凝結(jié)水泵、一臺(tái)凝結(jié)水加熱裝t、一個(gè)燕汽發(fā)生器的給水回路、一個(gè)事故給水回路，還包括三個(gè)蒸汽發(fā)生器與汽輪機(jī)之間的蒸汽連結(jié)管路。20世紀(jì)80年代，被公認(rèn)為是技術(shù)最成熟，運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的堆型。其裝機(jī)總?cè)萘考s占所有核電站各類反應(yīng)堆總和的60%以上。最早用作核潛艇的軍用反應(yīng)堆。1961年，美國建成世界上第一座商用壓水堆核電站。3.2.2 沸水堆沸水堆（如圖2）是輕水堆的一種，沸水堆核電站工作流程是：冷卻劑（水）從堆芯下部流進(jìn)，在沿堆芯上升的過程中，從燃料棒那里得到了熱量，使冷卻劑變成了蒸汽和水的混合物，經(jīng)過汽水分離器和蒸汽干燥器，將分離出的蒸汽來推動(dòng)汽輪

8、發(fā)電機(jī)組發(fā)電。與壓水堆一樣，沸水堆的堆芯也是由40000根左右裝有低濃鈾-235二氧化鈾燃料芯塊的鋯合金包殼燃料棒組成。燃料棒組件每個(gè)正方截面包含62根。燃料塊比壓水堆要大，長約18mm、直徑約10.6mm。除燃料棒大外，棒間間隙也大。所以其直徑比壓水堆的大，約為4.8m，但其高度只有3.8m左右。一座電功率為1000MW的沸水反應(yīng)堆中的燃料總質(zhì)量約為150000kg左右。包圍堆芯的鋼圍筒一直延伸到水平面以上。沸水堆與壓水堆不同之處在于冷卻水保持在較低的壓力（約為70個(gè)大氣壓）下，水通過堆芯變成約285的蒸汽，并直接被引入汽輪機(jī)。所以，沸水堆只有一個(gè)回路，省去了容易發(fā)生泄漏的蒸汽發(fā)生器，因而顯

9、得很簡單。圖2 沸水堆示意圖3.2.3 重水堆重水堆是以重水作慢化劑的反應(yīng)堆，可以直接利用天然鈾作為核燃料。重水堆可用輕水或重水作冷卻劑，重水堆分壓力容器式和壓力管式兩類。以天然鈾作為燃料使得重水反應(yīng)堆對(duì)很多國家產(chǎn)生了吸引力。CANDU堆是重水反應(yīng)堆中的突出代表，這種反應(yīng)堆用的核燃料是用二氧化鈾壓制、燒結(jié)成的圓柱形天然鈾芯塊，密封成燃料元件單棒，再將37根燃料元件單棒焊到兩個(gè)端部支撐板上，組成柱形燃料棒束組件，元件單棒之間用定位隔塊使之相互隔開。反應(yīng)堆換料采用不停堆雙向推進(jìn)法。遙控操作換料機(jī)上的活塞桿，將燃料束逆冷卻劑向流動(dòng)方向推進(jìn)，同時(shí)把乏燃料棒束從另一端卸人另一臺(tái)換料機(jī)。乏燃料運(yùn)送到反應(yīng)堆

10、廠房鄰近的水池內(nèi)貯存。標(biāo)準(zhǔn)化的CANDU堆本體包括：一個(gè)裝重水慣化劑的圓柱形不銹鋼排管容器；反應(yīng)堆控制機(jī)構(gòu)；380根燃料管道組件(CANDU-6型)燃料管道組件貫穿排管容器，內(nèi)裝核燃料、重水冷卻劑和一根鋯-鈮合金壓力管。3.3 反應(yīng)堆核心組件3.3.1 慢化劑核燃料裂變反應(yīng)釋放的中子為快中子，而在熱中子或中能中子反應(yīng)堆中要應(yīng)用慢化中子維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，慢化劑就是用來將快中子能量減少，使之慢化成為熱中子或中能中子的物質(zhì)。選擇慢化劑要考慮許多不同的要求。首先是核特性：即良好的慢化性能和盡可能低的中子吸收截面；其次是價(jià)格、機(jī)械特性和輻照敏感性。應(yīng)用最多的固體慢化劑是石墨，其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的慢化性能和機(jī)械

11、加工性能，小的中子俘獲截面和價(jià)廉。3.3.2 控制棒為了控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速率在一個(gè)預(yù)定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，稱之為控制棒和安全棒（如圖3），在反應(yīng)堆中起補(bǔ)償和調(diào)節(jié)中子反應(yīng)性以及緊急停堆的作用。控制棒是由硼和鎘等易于吸收中子的材料制成的。核反應(yīng)壓力容器外有一套機(jī)械裝置可以操縱控制棒?？刂瓢敉耆迦敕磻?yīng)中心時(shí)，能夠吸收大量中子，以阻止裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行。如果把控制棒拔出一點(diǎn)，反應(yīng)堆就開始運(yùn)轉(zhuǎn)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度達(dá)到一定的穩(wěn)定值；如果想增加反應(yīng)堆釋放的能量，只需將控制棒再抽出一點(diǎn)，這樣被吸收的中子減少，有更多的中子參與裂變反應(yīng)。要停止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，將控制棒完全插入核反應(yīng)中心吸收掉大部分

12、中子即可。 圖3 控制棒3.2.3 冷卻劑由主循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)，在一回路中循環(huán)，從堆芯帶走熱量并傳給二回路中的工質(zhì)，使蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，以驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。冷卻劑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，這就要求冷卻劑必需在高溫和高中子通量場(chǎng)中工作是穩(wěn)定的。有較大的傳熱系數(shù)和熱容量、抗氧化以及不會(huì)產(chǎn)生很高的放射性。輕水在價(jià)格、處理、抗氧化和活化方面都有優(yōu)點(diǎn)，但是它的熱特性不好。重水是好的冷卻劑和慢化劑，但價(jià)格昂貴。3.2.4 屏蔽層為防護(hù)中子、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)置屏蔽層。其設(shè)計(jì)要力求造價(jià)便宜并節(jié)省空間。對(duì)射線屏蔽，通常選擇鋼、鉛、普通混凝土和重混凝土

13、。鋼的強(qiáng)度最好，但價(jià)格較高；鉛的優(yōu)點(diǎn)是密度高，因此鉛屏蔽厚度較?。换炷帘冉饘俦阋?，但密度較小，因而屏蔽層厚度比其他的都大。來自反應(yīng)堆的射線強(qiáng)度很高，被屏蔽體吸收后會(huì)發(fā)熱，因此緊靠反應(yīng)堆的射線屏蔽層中常設(shè)有冷卻水管。核電站反應(yīng)堆最外層屏蔽一般選用普通混凝土或重混凝土。4 核電的利與弊4.1 核電的優(yōu)點(diǎn)（1）核能是地球上儲(chǔ)量最豐富的能源，又是高度濃集的能源。1t金屬鈾裂變所產(chǎn)生的能量，相當(dāng)于270萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。地球上已探明的核裂變?nèi)剂希粹櫟V和釷礦資源，按其所含能量計(jì)算，相當(dāng)于有機(jī)燃料的20倍，只要及時(shí)開發(fā)利用，便有能力替代和后續(xù)有機(jī)燃料。（2）核電是清潔的能源,有利于保護(hù)環(huán)境。燃燒化石燃料排出大

14、量的二氧化硫、二氧化碳、氧化亞氮等氣體，不僅直接危害人體健康和農(nóng)作物生長，還導(dǎo)致酸雨和大氣層的“溫室效應(yīng)”，破壞生態(tài)平衡。（3）核電站堅(jiān)持安全第一、質(zhì)量第一的方針，正確設(shè)計(jì)、高質(zhì)量建造和按規(guī)范運(yùn)行的核電站，其安全是有保證的。（4）核電的經(jīng)濟(jì)性能與火電競(jìng)爭。核電廠由于考究安全和質(zhì)量，建造費(fèi)高于火電廠，但燃料費(fèi)低于火電廠，火電廠的燃料費(fèi)約占發(fā)電成本的40 %60 %，而核電廠的燃料費(fèi)則只占20 %左右。（5）發(fā)展核電有利于減輕交通系統(tǒng)對(duì)燃料運(yùn)輸?shù)呢?fù)擔(dān)。1座100萬kW的燃煤火電機(jī)組每天需燒煤約1萬t，1年約需300萬t，而1座100kW的核電機(jī)組每年僅需核燃料30 t。（6）以核燃料代替煤和石油,

15、有利于資源的合理利用。煤和石油都是化學(xué)工業(yè)和紡織工業(yè)的寶貴原料，能用它們創(chuàng)造出多種產(chǎn)品。它們?cè)诘厍蛏系膬?chǔ)藏量是很有限的；作為原料，它們要比僅作為燃料的價(jià)值高得多。4.2 核電的缺點(diǎn)（1）核廢料處理需嚴(yán)謹(jǐn)。使用過的核燃料，雖然所占體積不大，但因具有放射性，因此必須慎重處理。一旦處理不當(dāng)，就很可能對(duì)環(huán)境生命產(chǎn)生致命的影響。核廢料的放射性不能用一般的物理、化學(xué)和生物方法消除，只能靠放射性核素自身的衰變而減少。核廢料放出的射線通過物質(zhì)時(shí)，發(fā)生電離和激發(fā)作用，對(duì)生物體會(huì)引起輻射損傷。（2）熱污染。核能發(fā)電熱效率較低，因而比一般化石燃料電廠排放更多廢熱到環(huán)境里，故核能電廠的熱污染較嚴(yán)重。（3）核能發(fā)電被認(rèn)

16、為存在風(fēng)險(xiǎn)。核裂變必須由人通過一定裝置進(jìn)行控制。一旦失去控制，裂變能不僅不能用于發(fā)電，還會(huì)釀成災(zāi)害。全球已經(jīng)發(fā)生了數(shù)起核泄露事故，對(duì)生態(tài)及民眾造成了巨大傷害。（4）建立原子能的發(fā)電站較易引發(fā)政治的爭端。5 我國核電發(fā)展情況我國早在1956年制定的國家原子能發(fā)展規(guī)劃12年大綱中就明確指出:“用原子能發(fā)電是動(dòng)力發(fā)展的新紀(jì)元，是有遠(yuǎn)大前途的”，“在有條件下應(yīng)用原子能發(fā)電,組成綜合動(dòng)力系統(tǒng)”。我國是世界上少數(shù)幾個(gè)擁有比較完整核工業(yè)體系的國家之一。為推進(jìn)核能的和平利用，上世紀(jì)七十年代國務(wù)院做出了發(fā)展核電的決定。經(jīng)過三十多年的努力，我國核電從無到有，經(jīng)歷了上世紀(jì)80年代中期到90年代中期的起步階段；上世紀(jì)90年代中期到2004年的小批量發(fā)展階段；從2005年開始，我國核電進(jìn)入了快速發(fā)展階段，在核電中長期發(fā)展規(guī)劃（20052020）的指導(dǎo)下，我國核電發(fā)展取得了顯著成績。目前已基本具備30、60、100萬千瓦級(jí)壓水堆核電站自主設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、管理能力，設(shè)備國產(chǎn)化率已達(dá)到70%以上，基本建立了一支核電技術(shù)隊(duì)伍；建立了勘探、采冶、轉(zhuǎn)化、濃縮、元件加工等較完整的核燃料加工體系，核安全法規(guī)管理體系已初步建立。表3和表4顯示了我國正在運(yùn)行的和在建的核電項(xiàng)目。6 總結(jié)福島核事故讓核電又一次走到了十字路口，正如切爾諾貝利