核反應堆物理基礎

核反應堆物理分析基礎主講教師：王鋒電話子郵箱：wangfeng@1/11/20231課程名稱：核反應堆物理分析

適用對象：限過必修課，高年級本科生

課內學時：64學時，2學分

要求先修課程：傳熱學、工程熱力學、流體力學、

原子核物理、輻射防護等相關課程

使用教材及參考書：

吳宏春主編，《核反應堆物理分析》，原子能出版社，2003年。1/11/20232教學目的和要求

1/11/20233教學大綱教學目的和要求課程內容、進度和學時分配教學和考核方法教學內容及要求

實踐環(huán)節(jié)1/11/20234課程內容、進度和學時分配

第1章（8學時）第2章（8學時）第3章（8學時）第4章（8學時）第5章（6學時）第6章（8學時）第7章（6學時）第8章（8學時）第9章（6學時）1/11/20235教學和考核方法以課堂教學和課上交流為主要的教學方式。鼓勵學生通過獨立完成一個反應堆物理分析項目代替部分考試。平時成績占30%，期末筆試成績占70%。1/11/20236第一章緒論1.1世界核電發(fā)展概況1.2中國核電發(fā)展概況1.3核反應堆分類1.4反應堆物理分析的目的和任務1.5核反應堆物理基礎1.6核電站的安全性1/11/20237*世界能源狀況及其特點能源是提供能量的自然資源，是人類生存和發(fā)展的重要資源。關系國計民生并具有重要戰(zhàn)略意義。一次能源，自然界中現成存在的，并可直接取得能源。二次能源，由一次能源通過加工，轉換成的另外一種形態(tài)的能源?？稍偕茉?，在自然界中可以再生并有規(guī)律的得到補充的能源。不可再生能源，經過千百萬年形成，短期內無法得到恢復補充的能源。常規(guī)能源，新能源能量利用轉換的一般過程1/11/20238三次能源演變：18世紀60年代產業(yè)革命：煤替代木柴，19世紀中葉，煤占主導地位；上世紀20年代開始，隨著石油工業(yè)的發(fā)展，世界能源從煤炭轉向石油和天然氣，至60年代石油天然氣占主導地位；70年代以來的兩次能源危機開始動搖了石油的支配地位，世紀之交，能源結構正在經歷第三次轉變：以石油為中心的能源體系開始向以煤、核能和其它可再生能源等多種能源結構的轉變。1/11/20239世界能源特點目前全世界能源總消費量約為130億噸標準煤，化石能源占85%以上，從能源的供應結構來看，目前世界上消耗的能源主要來自煤、石油、天然氣三大資源。美國能源部對世界常規(guī)石油產量高峰值的預測顯示：本世紀中葉，石油產量達到高峰值，然后逐漸下降。礦石能源利用率低，而且對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的污染。1/11/2023101/11/202311礦石能源的污染問題大量有機燃料的消耗給自然生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重污染。有機能源在燃燒過程中會產生大量的污染物質，其主要的污染物質有NOX、SO2、CO、CO2、有害煙塵等，這些污染物將對人類造成很大的危害。在所有污染物中，對人體危害較大的無機氣體主要有NOX、SO2、CO等。百萬千瓦級的燃煤電廠每天燃燒8000t優(yōu)質煤，向大氣排放出300多噸有害物質。1997年，全國煙塵排放總量為1873萬噸，SO2排放總量為2346萬噸，而其中主要來源于鍋爐內煤的燃燒（約占31%）。據資料統(tǒng)計表明：火電廠排放的二氧化硫占全國工業(yè)污染的30%以上，到2015年該比例將上升50%左右，煙塵排放量占全國煙塵排放量。可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略：盡量減少污染物的排放總量，保護環(huán)境和自然資源，維持人類與環(huán)境協調發(fā)展。

1/11/202312我國能源結構特點與世界能源狀況相比，我國能源有其特殊的矛盾和特點：能源結構上：以煤為主體，石油和天然氣資源不豐富，一次能源消費占能源消費量的70％，電力能源結構以煤為主，煤電占發(fā)電總量的77％。能源區(qū)域分布與工業(yè)布局不平衡，而且相反。我國的煤炭和水力資源分布不均勻，煤炭資源多在華此地區(qū)，水力資源多在西南地區(qū)。而我國的工業(yè)和人口集中在華東、華南和東北地區(qū)。這些地區(qū)經濟的發(fā)展需要大量電力。1/11/2023131/11/202314解決途徑北煤南運－－運輸量十分巨大，經濟上也不合理。一座100萬千瓦的火電廠，每年要燒掉約330萬噸煤，要用許多列火車來運輸。西電東送－－技術上難度大，經濟上代價高。在水力資源豐富的西南地區(qū)建水電站有許多困難，而遠距離送電損耗可觀，經濟上不合算。發(fā)展核電－－核電在工業(yè)發(fā)達國家已有幾十年的發(fā)展歷史，核電已成為一種成熟的能源。我國發(fā)展核工業(yè)也已有30多年，建立了從地質勘查、采礦到元件加工、后處理的比較完整的燃料循環(huán)體系，探明有一定儲量的鈾礦資源，已建成多種類型的核反應堆并有多年安全管理和運行經驗，擁有一支專業(yè)齊全的技術隊伍。泰山核電廠就是由我國自己研究設計建造的。1/11/2023151/11/202316未來50年我國石油產量預測（翁氏模型法）全國石油產量高峰約1.7-2.1億噸，將出現在2010-2020年間2050年以前全國石油年產量可保持在1億噸以上1/11/2023171.1世界核電發(fā)展概況自1954年前蘇聯建成世界上首座5000KW試驗性原子能電站以來，人類對核能的商業(yè)利用實踐已經走過了半個多世紀。期間，經歷了1970年代的快速發(fā)展時期，以及因三里島和切爾諾貝利核電站事故所引發(fā)的1980年代的緩慢增長期。迄今，切爾諾貝利事故已經過去了整整20年，在這段時間里世界400多座核電站機組又積累了8000多堆年的運行經驗，且無重大事故發(fā)生。這表明核電站改進措施已見成效，核電安全性和經濟性均有所提高。但是，公眾和用戶對核電產業(yè)發(fā)展仍然心存余悸。世界核能產業(yè)就是在希望與疑慮的矛盾中緩慢但穩(wěn)步發(fā)展。1/11/202318世界核電發(fā)展的幾個個階段1954－1960試驗階段1961－1969實用化階段1969－上世紀70年代末：大發(fā)展階段上世紀80年代－上世紀末：低潮階段

1979年美國三哩島（TMI）事故

1986年前蘇切爾諾貝利事故這個階段，核能仍在持續(xù)增長，而且是各種能源中增長速度最快的。同時在法國，日本，韓國，中國等國家，這個階段仍堅持發(fā)展核電。本世紀初：美國、德國等國家重新修正自己的核電方針，布什政府提出了核電復蘇計劃，發(fā)展中國家也在積極準備籌建核電站，核能在本世紀必將大放異彩。1/11/2023191.1.1核電穩(wěn)步增長核能是很多國家的主要電力來源。來自國際原子能機構的數據顯示(表1.1.1)，到2007年1月，世界各地有435座動力堆在運行。在這些在役的反應堆中美國有103個、法國59個，日本55個、俄羅斯31個、英國19個，僅這5個國家就占全球在役反應堆的60%以上。表1.1.1

截至2007年3月全球運行中和在建的核反應堆一覽表1/11/202320注(1).該欄數據截至日期為2005年12月31日。來源：IAEA（國際原子能機構）數據匯總1/11/2023212000年核電在各國發(fā)電量中的比重1/11/202322在建和運行中的核電機組1/11/2023231/11/202324從正在運行的核電機組數來看，運行機組數較多的有：美國104臺，法國58臺，日本53臺，英國35臺，俄羅斯29臺，德國20臺，烏克蘭16臺，韓國15臺，加拿大14臺，瑞典12臺，印度10臺。同時可以看出：西歐和北美國家核電發(fā)展停滯衰退。亞洲和東歐的一些國家核電進一步發(fā)展。2000年美國和加拿大正在運行中的核電機組數量略有減少，為118座（它們提供了美國20％、加拿大12％的電力）。不過最近有消息表明，美國在20多年內沒上新的核電項目后，近期又開始重新考慮建設新的核電廠問題。西歐有150座核電機組正在運行中，預計今后幾年將維持在這個水平上。中、東歐目前共有39座核電機組，還有幾座新建的核電機組將要完工；俄羅斯聯邦已有29座在役的核電機組和3座在建的核電機組，還計劃在圣彼得堡附近再建若干座1500MW的核電廠。中東、遠東和南亞地區(qū)現有94座核電機組，而中國、印度、韓國和日本已經明確計劃要擴大核發(fā)電能力。1/11/2023251/11/2023261.1.2核電反應堆以輕水堆為主核反應堆是核電廠的心臟，核裂變鏈式反應在其中進行。反應堆的類型繁多，有不同的分類標準，如按中子能量、冷卻劑和慢化劑、堆芯結構，以及用途進行分類（表1.1.2）。其中，在核電工業(yè)中更多地是按照冷卻劑和慢化劑分類進行分類。輕水堆、重水堆、石墨堆是工業(yè)上成熟的主要發(fā)電堆。輕水反應堆是目前技術最成熟、應用最廣泛的堆型。其優(yōu)點是體積小，結構和運行都比較簡單，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。它的缺點是輕水吸引中子的幾率比重水和石墨大，因此僅用天然鈾（天然鈾濃度非常?。o法維持鏈式反應，需要將天然鈾濃縮，濃縮度在3%左右，稱作低濃鈾。目前采用輕水堆的國家，在核燃料供應上大多依賴美國和獨聯體。此外，輕水堆對天然鈾的利用率低，僅為33%，如果系列地發(fā)展輕水堆要比系列地發(fā)展重水堆多用天然鈾50%以上。盡管如此，目前輕水堆在反應堆中仍占統(tǒng)治地位。目前，全球正在運行的以及在建的核反應堆中，大部分是輕水反應堆，占所有反應堆的85%以上。1/11/202327表1.1.2

核反應堆的分類1/11/202328資料來源：“核反應堆簡介”，現代物理知識，17(2):131/11/2023291.1.3核電站退役問題得到高度重視隨著核電站運行時間的增加，與核安全相關的核反應堆退役問題在許多國家表現得越來越重要。國際原子能機構就選擇退役時間而不是進行許可證更新，以及就退役過程本身提供指導，此外，它還鼓勵成員國逐漸交流最佳實踐經驗。到2007年3月初，在運行的435座反應堆中有100座的運行期已經超過30年。目前的兩個基本退役方案是立即拆除和在拆除前長期安全封閉。截至2005年底，世界各地已有8座核電廠已經全部完成退役，17座核電廠已部分拆除并安全關閉，31座核電廠正在實施廠址最終解除監(jiān)管之前的拆除，而30座核電廠正在進行長期封閉之前的最低程度拆除。而2006年間全球又有6個核電廠長期關閉。迄今，全球已經有119個反應堆關閉，與此相應的發(fā)電量為35.165億瓦。在關閉的反應堆中，以壓水堆、氣冷堆等反應堆型為主。1/11/2023301.1.4核燃料鈾價格持續(xù)上漲，但核資源不會成為制約核電開發(fā)的瓶頸作為核能生產的主要燃料，天然鈾的價格在上世紀80年代呈下降趨勢，在90年代則起伏不定，但是自2001年開始，鈾的價格持續(xù)上升，從2002年的25美元/kg上升到2005年的75美元/kg，5年間上漲三倍以上。鈾價格的上漲一方面反映二次資源的耗竭，另一方面反映了核電原材料市場的供需現狀。燃料鈾的需求主要取決于核電站的設備容量（核能發(fā)電量），同時核電站運行壽命的延長和熱功率的增加、設備利用率、運行環(huán)境與燃耗、天然鈾價格和濃縮勞務價格的差額也是重要因素。全球核電站設備容量將隨著以中國為主的亞洲地區(qū)核電開發(fā)的進展，有增加的趨勢。國際原子能機構（IEIA）和世界核協會（WNA）等機構根據對中、長期（2020年）核電設備容量的預測，對中、長期鈾需求的預測是：73495～86070t(U)（IEAE對2020年的預測）和57700～102500tt(U)（WAN對2005年的預測）。1/11/202331從燃料鈾的供給方面來看，目前全球生產鈾的國家約為21個，其中加拿大和澳大利亞的生產量幾乎占全球的一半，而能夠自己供給本國核電站需要的只有加拿大和南非。世界鈾生產量（生產能力）從2003年的47260t(U)增加到2005年的51155t(U)。但是，由于現有的鈾礦山枯竭而關閉以及鈾市場前景不明，鈾生產者控制新鈾礦山的勘探與開發(fā)，預測到2010年，鈾的產量將降至43059t(U)，2015年將上升到43612t(U)，2020年又將降到43005t(U)。另外，庫存鈾、俄羅斯解體核彈頭的高濃鈾、美國的軍用剩余高濃鈾、钚、回收鈾、再濃縮鈾等二次供給源的存在，也是對鈾礦山、礦床等生產的鈾形成價格上的壓力。由此，進一步控制新鈾礦山的勘探與開發(fā)，再結合核電開發(fā)增長的需求，從供需雙方面逼迫鈾市場價格上漲。1/11/202332然而，從鈾資源的角度來看，IAEA按資源存在的準確度將鈾資源區(qū)分為：確認資源（RAR）、推算追加資源Ⅰ（EAR-Ⅰ）、推算追加資源Ⅱ（EAR-Ⅱ）和期待資源（SR）。而且，按照回收（生產）成本，將生產成本低于40美元/kg（U）的鈾資源稱為“低成本鈾資源”，將低于130美元/kg（U）的鈾資源稱為“經濟的可回收鈾資源”。按照2003版REDBOOK，世界已知的鈾資源（RAR＋EAR-Ⅰ）中，回收成本低于130美元/kg（U）的鈾資源合計為458.9萬t(U)；世界未發(fā)現的鈾資源（EAR-Ⅱ＋SR）合計為974.4萬t(U)。而基于回收成本低于130美元/kg（U）的已知鈾資源，按燃料循環(huán)，從鈾資源的可開采年限看（鈾資源量/年度鈾需要量），（1）以一次通過（直接處置）的輕水堆利用，為85年；（2）僅一次循環(huán)钚的輕水堆利用，為100年；（3）輕水堆與快堆（FBR）組合利用，為130年；（4）全部FBR利用，為2550年。再者，如果已知鈾資源加上未發(fā)現的鈾資源（EAR-Ⅱ＋SR），則有：（1）以一次通過的輕水堆利用，為270年；（2）一次循環(huán)钚的輕水堆利用，為300年；（3）輕水堆與快堆組合利用，為410年；（4）全部FBR利用，為8500年。因此，可以說鈾資源在本世紀不會成為制約核能發(fā)電的瓶頸。1/11/202333【參考文獻】1．美國能源信息署編著（張軍等譯），2006，國際能源展望（InternationalEnergyOutlook2005）：未來國際能源市場分析與預測（至2025年）”，科學出版社2．中國科學院，2006.“2006高技術發(fā)展報告”，科學出版社3．EnergyInformationAdministration(EIA),2006.“TheAnnualEnergyOutlook2006(AEO2006)”(/)4．http:///1/11/202334我國核電的發(fā)展核工業(yè)是一個戰(zhàn)略性產業(yè)，是技術密集型高科技產業(yè)，是一個國家綜合實力的象征。發(fā)展核電還可以帶動我國機電、建筑行業(yè)的技術進步和管理升級，拉動國民經濟發(fā)展。在能源緊缺地區(qū)建造核電廠，既可替代部分常規(guī)能源，也有利于調整地區(qū)能源結構，緩解能源工業(yè)對環(huán)境的影響。大力發(fā)展核電事業(yè)，是中國和平利用核能的主要途徑和內容，也是改革開放以來中國核工業(yè)發(fā)展的主攻方向和戰(zhàn)略目標。（60年代我國成功爆炸原子彈）８０年代初，為解決我國能源問題和發(fā)展電力工業(yè)，開始自行設計建造秦山核電廠和利用外資、引進國外技術設備和管理經驗合作建造大亞灣核電廠。經過１０年的努力，這兩座核電廠相繼建成并投入商業(yè)運營，為緩解廣東、浙江等東南沿海地區(qū)電力緊張的局面發(fā)揮了應有的作用，取得了良好的社會效益和經濟效益。1.2中國核電發(fā)展概況1/11/202335通過自主建設和引進技術相結合，我國已具備３０0MW核電廠的自主設計和建造的能力，基本掌握６０0MW壓水堆核電廠的總體設計、系統(tǒng)設計和大部分設備的制造能力，具備以我為主與國外合作設計1000MW級壓水堆核電廠的能力。通過秦山和大亞灣兩個核電廠建設和運營的實踐，已形成了核電建設和自主運營的條件。我國還建成了完整的核燃料循環(huán)體系，為核電發(fā)展所必需的鈾資源、核燃料立足國內提供了保障。此外，以秦山核電廠為參考電站，我國向巴基斯坦成套出口的恰?，?00MW壓水堆商用核電廠，于1993年8月開工，已于2000年7月建成并網發(fā)電。

我國核電建設雖然取得了不小的成績，但從總體上看，還存在著規(guī)模偏小、發(fā)展偏慢、自主能力偏低、缺乏相對穩(wěn)定的長遠發(fā)展規(guī)劃等不足。我國核電堆型種類偏多，設備自主化和國產化程度低，尚未形成我國自己的標準化、系列化的機組型號，在核電技術研究與開發(fā)和自主設計方面與先進核電國家相比還存在較大差距。這種狀況有待在今后的發(fā)展中逐步予以克服。目前全世界核電裝機容量約占電力工業(yè)總裝機容量的１6％，而我國核電裝機總容量600萬KW，僅為全國電力裝機容量的１－2％，核電在電力工業(yè)中所占比重在世界擁有核電的３０多個國家和地區(qū)中居末位。我國政府已經將我國核電發(fā)展方針由“適當發(fā)展核電”提升為“積極發(fā)展核電”，明確提出，到2020年我國核電裝機容量達到4000萬KW，屆時核電裝機容量占總裝機容量的4－5％。1/11/202336

2005年的發(fā)電容量總計凈增230萬千瓦，全年發(fā)電量占世界發(fā)電量的19.28%，并與全球電力市場穩(wěn)定增長保持同步。另外，截至2007年3月，全球在建的核反應堆有30個，發(fā)電容量將達到24.251億瓦，其中大多數在亞洲，共有16個（印度7個，中國5個，朝鮮、伊朗、日本和巴基斯坦各1個）。

2005年，至少有15個國家核能發(fā)電量占本國發(fā)電總量的30%以上，占15～30%的國家有6個，其中法國核電生產量在其電力生產量的份額接近80%。2005年全球并入電網的核電機組有4臺，其中日本兩臺，印度和韓國各一臺；同年，加拿大一臺閑置的機組重新并入電網。1/11/2023371.2中國核電發(fā)展概況（見幻燈片1）1.2.1已建核電項目(1)大亞灣核電站－壓水堆（PWR）(2)嶺澳一期核電站－壓水堆（PWR）(3)秦山核電站（一期）－壓水堆（PWR）(4)秦山二期核電站－壓水堆（PWR）(5)秦山三期核電站－重水堆（CANDU-6）(6)田灣核電站－壓水堆（俄AES-91）1/11/202338秦山一期核電廠1/11/202339秦山三期核電廠1/11/202340大亞灣核電廠廠區(qū)1/11/2023411/11/2023421/11/2023431/11/2023441.2.2在建及即將開工核電項目(1)嶺澳核電站二期－壓水堆（CPR1000）(2)陽江核電站一期－壓水堆（CPR1000）(3)臺山核電站－壓水堆（CPR1000）(4)紅沿河核電站一期－壓水堆（CPR1000）(5)福建寧德核電站－壓水堆（CPR1000）(6)福清核電站－壓水堆(7)三門核電站一期－壓水堆（AP1000）(8)秦山核電廠擴建項目(方家山核電工程)－壓水堆(CPR1000)(9)秦山核電站二期擴建－壓水堆（CNP600）(10)山東海陽核電站－壓水堆（AP1000）1/11/202345田灣核電廠1/11/202346浙江三門核電廠1/11/2023471.2.3擬建核電項目(1)吉陽核電站一期（安徽）－壓水堆(2)蕪湖核電站（安徽）－壓水堆(3)桂東核電站（廣西）－壓水堆(4)白龍核電站（廣西）－壓水堆(5)海南核電（海南）－壓水堆(6)大畈核電廠（湖北）－壓水堆(7)小墨山/九龍山核電站（湖南）－壓水堆(8)桃花江核電站（湖南）－壓水堆(9)常德核電站（湖南）－壓水堆(10)大唐華銀核電廠（湖南）－壓水堆(11)三明核電站（福建）(12)漳州核電（福建）(13)吉林核電站（吉林）1/11/202348(14)遼寧第二核電廠（遼寧）－壓水堆（CPR1000）(15)徐大堡核電站（遼寧）－壓水堆(16)廣東第四核電—汕尾的甲東或揭陽的烏嶼（廣東）(17)廣東第五核電—肇慶或韶關（廣東）(18)荷包島核電站（廣東）(19)河源核電站（廣東）－壓水堆(20)陽西核電站（廣東）(21)嶺澳核電站三期（廣東）(22)四川核電站（四川）－壓水堆(23)重慶石柱核電廠（重慶）－壓水堆(24)江西核電—彭澤帽子山和萬安煙家山（江西）(25)石島灣核電站（山東）－高溫氣冷堆(26)紅石頂核電（山東）(27)田灣核電站二期（江蘇）－壓水堆（俄AES-91）1/11/2023491/11/202350國內核電投資商中國核工業(yè)總公司：成員單位100多家廣東核電集團中國電力投資集團公司國內與反應堆工程有關的高校清華大學西安交通大學上海交通大學哈爾濱工程大學南華大學四川大學華北電力大學重慶大學一些學校還在積極籌備成立核相關專業(yè)1/11/2023511.3核反應堆分類(見幻燈片2)我們這里講的核反應堆是利用原子核可控鏈式裂變反應釋放出來的能量進行發(fā)電或提供動力的裝置。鏈式裂變反應釋放出來的能量首先在燃料元件內轉化為熱能，然后通過導熱、對流和輻射等方式傳遞給冷卻劑。核反應堆根據冷卻劑的不同基本上可以分為水冷堆、氣冷堆和液態(tài)金屬冷卻堆，本章將介紹各種類型反應堆的基本特征，包括熱力循環(huán)回路、堆芯設計、燃料組件設計等。表1.3是目前世界上應用的比較廣泛的水冷、氣冷和液態(tài)金屬冷卻堆的一些基本特征。1/11/202352表1.3各種反應堆的基本特征

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