核燃料循环第一章授课Word文件下载.docx

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天然气

煤

核电

水电

TotalEnergy

世界

0.577

0.370

0.409

0.095

0.094

1.545

美国

3.121

1.935

1.959

0.621

0.208

7.844

日本

1.947

0.539

0.878

0.179

3.952

德国

1.517

0.933

1.056

0.452

0.069

4.027

英国

1.291

1.441

0.658

0.338

0.025

3.753

法国

1.566

0.655

0.206

1.659

0.247

4.333

国

2.215

0.507

1.071

0.614

0.036

4.443

中国

0.213

0.023

0.619

0.008

0.049

0.912

当前，世界上的主要能源是煤、石油、天然气这些化石燃料，化石燃料不是可再生能源，用掉一点儿就少一点儿。

燃烧化石燃料向大气排放大量的“温室气体”二氧化碳、形成酸雨的二氧化硫和氮的氧化物，并排放大量的烟尘，这些有害的物质对环境造成了严重的破坏。

核能不产生这些有害物质。

1987年，世界卫生组织总干事布伦特兰领导的世界环境和发展委员会提出了“可持续发展”的概念。

为了实现可持续发展，人类迫切地需要新的替代能源。

在开发新型能源时，人们往往首先想到除水力资源外的可再生能源，如太阳能、风能、地热能、潮汐能等等。

但是这些可再生能源的能量过于分散、间断性，难以收集，因受多种条件限制，只能在一定条件下有限的开发，很难大量利用，估计每种能源在总能源利用中很难超过1％。

尽管太阳能是一种清洁的、可再生能源，但由于它的能流密度太低，在单位面积上得到的能量很小，一座1000MW的太阳能电站，为吸取太阳能的地面面积大约是108m2，要把这样大面积的太阳能收取和集中到发电站来所需的技术措施和经济代价都是难以接受的。

所以，在可预见的将来，这些可再生能源很难具有竞争性。

据推测，在今后20年里，这些可再生能源占世界的发电份额仍将低于3%。

基于这一事实，世界能源委员会还是将注意力转向了核能。

因此，目前唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源，就是核能。

核能的开发利用是人类最终解决能源需求的希望。

利用核能发电是核能和平利用的最重要方面，也是解决某些国家和地区当前能源短缺的现实途径。

从1954年6月前联奥布宁斯克核电站0.5万千瓦核电机组并网发电，建立了世界上第一座核电站，人类首次实现了核能的和平利用开始，许多国家和地区都相继制定了发展核电的规划。

1970年世界上有核电国家14个，核电机组99个，装机容量1.5亿千瓦。

从此核电与水电平分秋色，与火电一起成为世界电力供应的三大支柱。

截止至2008年底，全世界31个国家共运行439座反应堆，总装机容量372GW，约占世界发电总量的17％。

（全球核电站分布）

核电发展阶段：

（1）实验示阶段（1946-1965年）

军事应用的成功

探索了几乎所有堆型

（2）高速推广阶段（1966-1980年）

石油消费大增，对石油依赖的担忧

核电技术的发展

（3）滞缓发展阶段（1980-）

原油危机，各国经济发展减缓，能源需求下降

对核电经济性的乐观估计

两次核事故

我国核电起步较晚，其核电发展计划始于1970年，1985年3月山核电站开工建设、1991年12月15日首次并网发电，结束了中国大陆无核电的历史，并一举成为世界上第七个具备自主设计、自主建设、自主调试、自主运行管理核电厂的国家。

1994年大亚湾从法国引进的两台90万千瓦核电机组投入运行。

‘九五’期间我国核电发展进入了高速发展时期，岭澳、山二、三期、田湾等8座核电机组相继开工建设。

预定到2005年前后我国将有11台核电机组投入运行，装机容量达870万千瓦。

国家发改委规划到2020年将建成核电总装机容量4000万千瓦？

，从而使我国核电的装机容量占全国电力总装机容量的比例由2000年的1%上升到4%左右。

（福岛事故的影响）

截止到2009年，我国大陆共运行11台核电机组（9.1GWe），已开工建设的核电站装机约11.3GWe，已批准建设的核电站装机约23.9Gwe，总装机容量44.3GW。

核电站计划容量一期开工时间

三门6×

1GWe2004.9

岭澳二期2×

1GWe2005.12

6×

1GWe2006

山二期2×

0.6GWe2006

红沿河6×

1GWe2007.8

1GWe2008.2

海阳6×

1GWe2008.9

方家山2×

1GWe2008.11

福清6×

泽8×

1GWe2009

桃花江6×

1GWe2010

大畈4×

我国核能发展的方针将坚持热堆（压水堆）—快堆—聚变堆的路线。

按照我国核工业目前的技术状况，我国由热堆向快堆的过渡很难超越国际上的发展进程，如果我国2020年、2030年的核电装机容量分别达到40GWe、60GWe的话，则上述装机容量的核电站将全部采用热堆，可以设想在今后50年，热堆电站可能仍将是全世界核电的主体，并在2050年之后继续发挥重要作用。

如果我国快堆技术发展顺利，则2020年有望建成原型快堆，2035年有可能开始进入核能市场并在2050年前后得到稳步发展，到本世纪末快堆核能系统有可能成为我国核电主力。

而通过核聚变反应获得巨大能量可谓本世纪人类的最大梦想：

人造太阳。

如果可控热核反应研究取得成功，人类将能利用海水中的重氢获得无限丰富的能源，它是未来解决世界能源和环境问题最重要的途径之一，对发展中国家和地区具有特别重要的意义。

40年来，我国先后建成中国环流器一号、中国环流器新一号、“二号A”和EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置等意味着在下个世纪中国人造太阳将横空出世！

核能的开发、利用要有核燃料的支撑，核能的持续发展更需要把核燃料不断循环起来，使未燃尽燃料得到充分利用，使新生成的核燃料得以有效利用，使其它有价核素得以广泛应用。

地球上蕴藏着数量可观的铀、钍等核裂变燃料资源，如果把它们的裂变能充分利用起来，可满足人类上千年能源需求。

1.1核能的来源和利用

●核能：

一些化学元素的原子核转变为另一些元素的原子核时，所放出的能量称为原子能。

或者更确切一些称之为原子核能。

或定义为原子核中的核子重新分配时释放出来的能量。

1.1.1核能的来源

●原子由带正电的原子核和环绕它回转的若干外围电子所组成。

☞在正常的中性原子中，外围电子数正好等于该元素在元素周期表中的原子序数Z，它决定了该元素的化学性质和大部分物理性质。

☞原子核（atomicnucleus）是原子的中心部分，为原子直径的10-4，但其质量却占整个原子质量的99.9%以上；

原子核由N个中子+Z个质子=A个核子所构成，质子带正电，每个质子所带的电量同一个电子的电量e相等，符号相反。

中子不带电。

☞　质子（proton）是带正电荷的核子，也是最轻化学元素氢原子核。

到目前为止的实验表明，质子是稳定粒子。

☞　中子（neutron）是不带净电荷的核子，也是构成原子核的重要组元。

中子的质量同质子的质量很相近，分别为电子质量的1839倍和1836倍。

没有中子参与，两个或两个以上的质子不可能稳定地存在于原子核部。

中子的静止质量为1.0086649u，略大于氢原子的质量1.0078250u。

自由中子是不稳定的，它能自发地转变成一个质子，一个电子（称β粒子）和一个电子反中微子，并释放出0.782MeV的能量。

其半衰期为614.6±

1.3s。

☞质子和中子统称为核子。

原子核中的质子数必然等于原子序数，因为在中性原子中，原子核所带的正电荷Z·

e应与全部外围电子所带的负电荷Z·

e相互抵消。

●由于原子的质量几乎全部集中于原子核中，核子数又称为质量数，它是同该原子的原子量最相近的整数。

●具有相同的质子数Z和不同的中子数N的原子，叫做同位素。

☞同一元素的几种同位素，用化学方法无法区分，但可利用质谱仪可测出它们的不同质量。

☞我们用这样的符号来表示原子序数Z和质量数A的某种同位素，X是元素的化学符号。

由于每一种元素的原子序数是一定的，下标Z常可略去。

☞具有一定的原子序数Z和质量数A的某种原子，又称为核素。

●最轻的氢原子核仅有一个质子。

（氕）

（氕是氢的同位素之一，是氢的主要成份，普通氢中含有99.98%的氕）

☞它的同位素重氢（又叫氘）的原子核（或D）由一个质子和一个中子构成。

☞同位素超重氢（又叫氚）的原子核（或T）含有一个质子和两个中子。

氚核是不稳定的，就是说，它是一种放射性同位素。

氚原子核不断地放射出电子，同时以12.3年的半衰期衰变为另一种原子核（氦核）。

●一般地说，仅当中子与质子的数目之比值（N:

Z）在一定围时，原子核才稳定。

☞这比值对于轻原子核接近于1，但它随着原子序数的增加而逐渐加大，对于最重的稳定核达到大约1.5。

☞凡质子或中子过多的原子核，皆不稳定，即带有放射性。

在已知的大约2700种核素中，有300多种是稳定的，其余都是放射性的。

●原子序数Z＞83的天然存在的元素，由于核质子数太多，静电斥力太大，没有稳定同位素，都具有放射性。

（Po，钋Z=84）

●铀的常见同位素　　和　　，也都是不稳定的。

☞它们都不断地衰变，只不过衰变率很低，半衰期分别为7亿年和45亿年，同地球的年龄约46亿年相比，不算很短，所以地球上尚见其存在。

☞比铀更重的元素（超铀元素），一般地说，没有这样长寿命的同位素，因此在地球上没有天然的存在。

☞但例外情况有　　，它的半衰期为0.83亿年，在地球上尚有微量存在。

据说远在18亿年前，至少有6座天然反应堆断断续续地运行了几十万年。

●化学反应中释放的能量，主要起源于将原子保持在分子中的力，而这种力仅同原子的外围电子结构相关。

☞当两个以上原子组成分子时，各原子的电子云会发生变形，把合拢在一块的所有原子核笼罩在。

☞由于化合物的分子的能量总是低于它所包含的各原子的能量之和，所以这外围电子重新组合的过程会放出能量来，这就是化学结合能。

☞但这种靠化学反应中原子间的电子交换来获得的化学能的能量是很小的。

例如煤或石油燃烧时，每个碳或氢原子与氧结合成二氧化碳或水的过程，只能释放出来几个或十几个eV能量。

●与此类似，原子能起源于将核子保持在原子核中的很强的作用力，叫做核力，它能克服质子之间的静电斥力，把各核子凝聚在一起。

☞当质子和中子组织成原子核时，像在化学反应中一样，也会放出能量，这就是核结合能。

☞这种核结合