核能發(fā)電-新能源發(fā)電的新紀(jì)元

核能發(fā)電——新能源發(fā)電的新紀(jì)元核電自50年代中期問世以來，目前已取得長足的發(fā)展。到2007年中期，世界上共有439座發(fā)電用核反應(yīng)堆在運行，正在建造的發(fā)電用核反應(yīng)堆有30座。目前世界上有30多個國家和地區(qū)有核電廠發(fā)電，核發(fā)電量占世界總發(fā)電量的17%，其中有十幾個國家和地區(qū)核電發(fā)電量超過各種總的發(fā)電量的四分之一，有的國家超過70%。我國目前已經(jīng)投運的核電機組有11臺，總裝機容量910萬千瓦時。2008年，核電占全國電力裝機總?cè)萘康?.3%，核電年發(fā)電量683.94億千瓦小時，占全國總發(fā)電量的2%左右。作為發(fā)電的新方式——核能發(fā)電在今后的生產(chǎn)生活中占據(jù)的比重越來越大，核電站也將與我們的日常生活相聯(lián)系的更加緊密，了解和學(xué)習(xí)核電站以及核能發(fā)電這一新技術(shù)將是我們適應(yīng)社會發(fā)展的一項必不可少的事情。下面我先介紹一下什么是核電站以及核能發(fā)電的原理。核電站就是利用一座或若干座動力反應(yīng)堆所產(chǎn)生的熱能來發(fā)電或發(fā)電兼供熱的動力設(shè)施。反應(yīng)堆是核電站的關(guān)鍵設(shè)備，也是使核電站與火電站區(qū)別開來的重要設(shè)備。核電站的發(fā)電工程就是以核反應(yīng)堆來代替火電站的鍋爐，以核燃料（用鈾制成）在核反應(yīng)堆的設(shè)備內(nèi)發(fā)生鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)（注：核裂變是一個原子核分裂成幾個原子核的變化，只有一些質(zhì)量非常大的原子核像鈾、釷等才能發(fā)生核裂變。這些原子的原子核在吸收一個中子以后會分裂成兩個或更多質(zhì)量較小的原子核，同時放出兩個到三個中子和很大的能量，又能使別的原子核接著發(fā)生核裂變……，使過程持續(xù)下去，這種過程稱作鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。原子核在發(fā)生核裂變時，釋放出巨大的能量稱為原子核能，俗稱原子能。1克鈾-235完全發(fā)生核裂變后放出的能量相當(dāng)于燃燒2.5噸煤所產(chǎn)生的能量）來產(chǎn)生大量的熱能，再用處于高壓力下的水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通過管路進入汽輪機，推動汽輪發(fā)機帶著發(fā)電機一起旋轉(zhuǎn)，電就源源不斷地產(chǎn)生出來，并通過電網(wǎng)傳到四面八方。目前世界上核電站常用的反應(yīng)堆有壓水堆、沸水堆、重水堆和快堆等。使用的最廣泛的是壓水反應(yīng)堆。壓水反應(yīng)堆是以普通水做冷卻劑和慢化劑，它是從軍用堆基礎(chǔ)上發(fā)展起來的最成熟、最成功的動力堆堆型。現(xiàn)在，我主要為大家介紹一下核電站的設(shè)備構(gòu)成及其不同分類：核電站一般由一回路廠房、二回路廠房、一回路輔助廠房、輸配電廠房、循環(huán)水泵房以及三廢處理廠房組成，而核電站的內(nèi)部通常由一回路系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)組成，反應(yīng)堆是核電站的核心，除此之外，核電站還有許多與核反應(yīng)堆相配合的重要設(shè)備，以壓水堆核電站為例，它們是主泵、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器、安全殼、汽輪發(fā)電機和危急冷卻系統(tǒng)等，它們在核電站中有各自特殊的功能。首先，我為大家介紹一下這些設(shè)備的功能特點。主泵——如果把反應(yīng)堆中的冷卻劑比作人體血液的話，那主泵則是心臟，它的功用是把冷卻劑送進核反應(yīng)堆內(nèi)，然后流過蒸汽發(fā)生器，以保證核裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量能夠及時傳遞出來；穩(wěn)壓器——又稱壓力平衡器，是用來控制核反應(yīng)堆系統(tǒng)壓力變化的設(shè)備，在正常運行時起保持壓力的作用，在事故發(fā)生時提供超壓保護，穩(wěn)壓器設(shè)有加熱器和噴淋系統(tǒng)，當(dāng)核反應(yīng)堆里壓力過高時，噴灑冷水降壓，當(dāng)堆內(nèi)壓力太低時加熱器自動通電加熱使水政法以增加壓力；蒸汽發(fā)生器——它的作用是把通過核反應(yīng)堆的冷卻劑的熱量傳給二次回路水，并使之變成蒸汽，再通過汽輪發(fā)電機的氣缸作功；安全殼——用來控制和限制放射性物質(zhì)從反應(yīng)堆擴散出去，以保護公眾免遭放射性物質(zhì)的傷害，萬一發(fā)生罕見的反應(yīng)堆一回路水外溢的失水事故時，安全殼是防止裂變產(chǎn)物釋放到周圍的最后一道屏障，安全殼一般是內(nèi)襯鋼板的預(yù)應(yīng)力混凝土厚壁容器；汽輪機——核電站用的汽輪發(fā)電機在構(gòu)造上與常規(guī)火電站的大同小異，所不同的是由于蒸汽壓力和溫度都較低，所以同等功率機組的汽輪機體積比常規(guī)火電站的大；危急冷卻系統(tǒng)——為了應(yīng)付核電站一回路主管道破裂的極端失水事故的發(fā)生，近代核電站都設(shè)有危急冷卻系統(tǒng)，它是由注射系統(tǒng)和安全殼噴淋系統(tǒng)組成，一旦接到極端失水事故的信號后，安全注射系統(tǒng)向核反應(yīng)堆內(nèi)注射高壓含硼水，噴淋系統(tǒng)向安全殼噴水和化學(xué)藥劑，便可緩解事故后果，限制事故蔓延。核電站開始工作發(fā)出電能，實際上是核反應(yīng)堆工作時放出的熱能，由一回路系統(tǒng)的冷卻劑帶出，用以產(chǎn)生蒸汽。因此，整個一回路系統(tǒng)被稱為“核供汽系統(tǒng)”，它相當(dāng)于火電廠的鍋爐系統(tǒng)。為了確保安全，整個一回路系統(tǒng)安裝在安全殼內(nèi)，這樣，無論在正常運行或發(fā)生事故時都不會影響安全。由蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機組進行發(fā)電的二回路系統(tǒng)，與發(fā)電廠的汽輪發(fā)電機系統(tǒng)基本相同。上面我已經(jīng)提到了關(guān)于常用的核反應(yīng)堆大概有四種，即壓水堆、沸水堆、重水堆和快堆，根據(jù)核反應(yīng)堆種類的不同，核電站分為壓水堆核電站、沸水堆核電站、重水堆核電站以及快堆核電站?，F(xiàn)在，我先簡要介紹一下這四種核電站。1、壓水堆核電站，就是以壓水堆為熱源的核電站，它主要由核島和常規(guī)島組成。壓水堆核電站核島中的四大部件是蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵和堆芯，在核島中的系統(tǒng)設(shè)備主要有壓水堆本體、一回路系統(tǒng)以及為支持一回路系統(tǒng)正常運行和保證反應(yīng)堆安全而設(shè)置的輔助系統(tǒng)。常規(guī)島主要包括汽輪機組以及二回路系統(tǒng)，其形式與常規(guī)火電廠類似。2、沸水堆核電站，就是以沸水堆為熱源的核電站。沸水堆是以沸騰輕水為慢化劑和冷卻劑并在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)直接產(chǎn)生飽和蒸汽的動力堆，沸水堆與壓水堆均同屬輕水堆，都具有結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、建造費用低和負(fù)荷跟隨能力強等優(yōu)點，它們都需使用低富集鈾作燃料。沸水堆核電站系統(tǒng)包括主系統(tǒng)（包括反應(yīng)堆）、蒸汽給水系統(tǒng)、反應(yīng)堆輔助系統(tǒng)等。3、重水堆核電站，就是以重水堆為熱源的核電站。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，重水堆分為壓力容器式和壓力管式兩類。重水堆核電站是發(fā)展較早的核電站，有各種類別，但以實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模推廣的只有加拿大發(fā)展起來的坎杜型壓力管式重水堆核電站。4、快堆核電站，就是以由快中子引起鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所釋放出來的熱能轉(zhuǎn)換為電能的核電站。快堆在運行中既消耗裂變材料，又生產(chǎn)新裂變材料，而且所產(chǎn)可多于所耗，能實現(xiàn)核裂變材料的增值。目前，世界上已商業(yè)運行的核電站堆型，如壓水堆、沸水堆、重水堆等都是非增殖堆型，主要利用核裂變?nèi)剂?，即使再利用轉(zhuǎn)換出來的钚-239等易裂變材料，它對鈾資源的利用率也只有1%—2%，但在快堆中，鈾-238原則上都能轉(zhuǎn)換成钚-239而得以使用，但考慮到各種損耗，快堆可將鈾資源的利用率提高到60%—70%。下面，我將主要介紹一下輕水堆核電站——即壓水堆核電站和沸水堆核電站。壓水堆核電站——壓水堆核電站的一回路系統(tǒng)與二回路系統(tǒng)完全隔開，它是一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)。該核電站的原理流程為：主泵將高壓冷卻劑送入反應(yīng)堆，一般冷卻劑保持在120~160個大氣壓。在高壓情況下冷卻劑的溫度即使是300℃也不會汽化。冷卻劑把核燃料放出的熱能帶出反應(yīng)堆，并進入蒸汽發(fā)生器，通過數(shù)以千計的傳熱管，把熱量傳給管外的二回路水，使水沸騰產(chǎn)生蒸汽；冷卻劑流經(jīng)蒸汽發(fā)生器后，再由主泵送入反應(yīng)堆，這樣來回循環(huán)，不斷地把反應(yīng)堆中的熱量帶出并轉(zhuǎn)換產(chǎn)生蒸汽。從蒸汽發(fā)生器出來的高溫高壓蒸汽，推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。做過功的廢汽在冷凝器中凝結(jié)成水，再由凝結(jié)給水泵送入加熱器，重新加熱后送回蒸汽發(fā)生器。這就是二回路循環(huán)系統(tǒng)。壓水堆由壓力容器和堆芯兩部分組成。壓力容器是一個密閉的、又厚又重的、高達數(shù)十米的圓筒形大鋼殼，所用的鋼板耐高溫高壓、耐腐蝕，用來推動汽輪機轉(zhuǎn)動的高溫高壓蒸汽就在這里產(chǎn)生的。在容器的頂部設(shè)置有控制棒驅(qū)動機構(gòu)，用于驅(qū)動控制棒在堆芯內(nèi)上下移動。堆芯是反應(yīng)堆的心臟，裝在壓力容器中間，它是燃料組件構(gòu)成的。正如鍋爐燒的煤塊一樣，燃料芯塊是核電站“原子鍋爐”燃燒的基本單元。沸水堆核電站——沸水堆核電站的工作流程是：冷卻劑（水）從堆芯下部流進，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汽輪發(fā)電機組發(fā)電。沸水堆是由壓力容器及其中間的燃料元件、十字形控制棒和汽水分離器等組成。汽水分離器在堆芯的上部，它的作用是把蒸汽和水滴分開，防止水進入汽輪機，造成汽輪機葉片損壞。沸水堆所用的燃料和燃料組件與壓水堆相同，沸騰水既作慢化劑又作冷卻劑。沸水堆與壓水堆不同之處在于冷卻水保持在較低壓力（約為70個大氣壓）下，水通過堆芯變成約285℃的蒸汽，并直接被引入汽輪機。所以，沸水堆只有一個回路，省去了容易發(fā)生泄漏的蒸汽發(fā)生器，因而顯得簡單。重水堆按其結(jié)構(gòu)型式可分為壓力殼式和壓力管式兩種。壓力殼式的冷卻劑只用重水，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料比壓力管式少，但中子經(jīng)濟性好，生成新燃料钚－239的凈產(chǎn)量也比較高。這種堆一般用天然鈾作燃料，結(jié)構(gòu)類似壓水堆，但因柵格節(jié)距大，壓力殼比同樣功率的壓水堆要大得多，因此單堆功率最大只能做到30萬千瓦。因為管式重水堆的冷卻劑不受限制，可用重水、輕水、氣體或有機化合物?？傊?，輕水堆核電站的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)和運行都比較簡單，尺寸較小，造價也低廉，燃料也比較經(jīng)濟，具有良好的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。它的缺點是必須使用低濃鈾，目前采用輕水堆的國家，在核燃料供應(yīng)上大多依賴美國和獨聯(lián)體。此外，輕水堆對天然鈾的利用率低。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。從維修來看，壓水堆因為一回路和蒸汽系統(tǒng)分開，汽輪機未受到放射性的沾污，所以容易維修。而沸水堆是堆內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽直接進入汽輪機，這樣，汽輪機會受到放射性的沾污，所以在這方面的設(shè)計與維修都比壓水堆麻煩一些。雖然核電站的組成沒有太大的差異，但是不同類型反應(yīng)堆的核電站，其動力回路是不相同的。以壓水堆核電站為例，其動力裝置主要由反應(yīng)堆、一次冷卻水回路（簡稱一回路）、二次汽、水回路（又稱二回路）及其輔助回路系統(tǒng)組成。一回路系統(tǒng)由核反應(yīng)堆、主循環(huán)泵、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器和相應(yīng)的管道、閥門及其他輔助設(shè)備所組成。高溫高壓的冷卻水由主循環(huán)泵送流經(jīng)反應(yīng)堆，吸收核燃料裂變放出的熱能后，流進蒸汽發(fā)生器，通過蒸汽發(fā)生器再將熱量傳遞給在管外流動的二回路給水，使它變成蒸汽，此后，再由主循環(huán)泵將冷卻劑重新送至反應(yīng)堆內(nèi)。如此循環(huán)往復(fù)，構(gòu)成一個密閉的循環(huán)回路。二回路系統(tǒng)是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它由汽水分離器、汽輪機、冷凝器、凝結(jié)水泵、給水泵、給水加熱器、除氧器等設(shè)備組成。二回路給水吸收了一回路的熱量后成為蒸汽，然后進入汽輪機作功，帶動發(fā)電機發(fā)電。作功后的乏汽排入冷凝器內(nèi)，凝結(jié)成水，然后由凝結(jié)水泵送入加熱器，加熱后重新返回蒸汽發(fā)生器，構(gòu)成二回路的密閉循環(huán)。核電站的二回路系統(tǒng)與常規(guī)火電站的動力回路相似。由于二回路系統(tǒng)設(shè)備較多，所以接下來我只簡要介紹一下汽水分離器的相關(guān)內(nèi)容。汽水分離器采用的分離結(jié)構(gòu)很多，其分離方法有重力沉降、折流分離、離心力分離、絲網(wǎng)分離、超濾分離、填料分離等，但綜合起來分離原理只有兩種：一是利用組分質(zhì)量（重量）不同對混合物進行分離（如重力沉降、折流分離、離心力分離、填料分離的分離方法），氣體與液體的密度不同，相同體積下氣體的質(zhì)量比液體的質(zhì)量小；二是利用分散系粒子大小不同對混合物進行分離（如絲網(wǎng)分離、超濾分離的分離方法），液體的分子聚集狀態(tài)與氣體的分子聚集狀態(tài)不同，氣體分子距離較遠(yuǎn)，而液體分子距離要近的多，所以氣體粒子比液體粒子小些。汽水分離器的工作原理比較簡單，基本原理是利用氣液比重不同，在一個突然擴大的容器中，流速降低后，在主流體轉(zhuǎn)向的過程中，氣相中細(xì)微的液滴下沉而與氣體分離，或利用旋風(fēng)分離器，氣相中細(xì)微的液滴被進口高速氣流甩到器壁上，碰撞后失去動能而與轉(zhuǎn)向氣體分離。一般是側(cè)面進料，被分離的液體流經(jīng)底部疏水閥排出，干燥清潔的蒸汽從分離器上部出口排除，從而起到分離的作用。以上就是我對核電站相關(guān)內(nèi)容的