核能相关知识教材.docx

1、核能相关知识教材提供丰富的电力是我国发展经济的重要基础，电力是经济发展的牵引力。目前我国的人均电力消费与美国、日本和法国等经济发达国家相比，还有很大差距。因此专家预测未来20年的我国电力需求将是现在的两倍以上。巨大的电力需求，给我国提出了一个重要问题：用什么能源来补充新的电力呢？现在，世界上有四百多座发电用反应堆，核电装机容量约占总装机容量的16%。几十年的工业实践证明了核电是经济的并且安全的。更为重要的是，核电是一种几乎没有温室气体释放的低碳绿色能源。我们知道，温室气体有很多种，但其中最主要的是二氧化碳，因此衡量一个能源系统的温室气体排放情况通常用温室气体排放系数，即每生产一度电向环境排放多

2、少克等效二氧化碳来度量。据科学家计算分析，我国燃煤电厂的温室气体排放系数约为1302.3克等效CO2/千瓦时。核电厂虽然自身不排放温室气体，但考虑到它在建造和运行中所用的材料，其燃料链温室气体的排放系数约为13.7克等效CO2千瓦时。可见，核电厂向环境释放的温室气体，只有同等规模煤电厂的1左右，因此我们称核电为当之无愧的低碳绿色能源。英国物理学家查德威克于1932年发现了中子，中子像一把钥匙打开了原子核的大门，为核能的利用开辟了广阔的空间。经过科学测算，1公斤铀-235释放的能量相当于2700吨标准煤释放出的能量。核能分为核裂变能和核聚变能两种，现在核电厂利用核能的方式是可控核裂变反应，可控核

3、聚变还正在研究之中。核裂变能不是像火电厂那样通过化学反应释放出能量的，而是通过原子核发生变化释放出能量的。1942年由费米领导的研究小组在美国芝加哥大学建成了世界上第一座自持链式核裂变反应装置，1954年前苏联建成第一座5兆瓦石墨水冷堆核电厂，从此开辟了核能和平利用的新纪元。需要顺便提一下的是，1986年前苏联发生事故的切尔诺贝利核电厂就是一座石墨水冷堆核电厂，这种堆型的核电厂已遭历史的淘汰。核反应堆是一个维持和控制核裂变链式反应，从而实现核能到热能转换的装置。反应堆发生自持链式裂变反应时，中子增值系数k有效为1。为实现自持的链式裂变反应所必须保持一定数量的核燃料质量，称为临界质量。反应堆由堆

4、芯、冷却剂系统、慢化剂系统、反射层、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。核反应堆是核电厂的心脏，核裂变链式反应在其中进行。链式裂变反应释放出来的能量，绝大部分首先在燃料元件内转化为热能，然后通过热传导、对流传热和热辐射等方式传递给燃料元件周围的冷却剂；而小部分能量则直接在慢化剂中转化为热能。反应堆的结构形式是千姿百态的，它根据燃料形式、冷却剂种类、中子能量分布形式、特殊的设计需要等因素可建造成各种不同结构形式的反应堆。目前世界上有大小反应堆上千座，其分类也是多种多样的。反应堆按中子能谱分有热中子堆和快中子堆。反应堆按冷却剂分有轻水堆、重水堆、气冷堆和钠冷堆。其中的轻水堆又可分为压水堆

5、和沸水堆；气冷堆中代表性的堆型是高温氦气冷却石墨球床堆，简称高温气冷堆；液态金属冷却堆的代表堆型是钠冷快中子增殖堆，简称钠冷快堆。反应堆按用途分为研究堆、生产堆和动力堆等，生产堆主要是用于生产军用钚和氚。下面我们来介绍各种不同类型反应堆的基本特征，包括燃料形态、燃料富集度、中子能谱、慢化剂、冷却剂、燃料组件设计、堆芯设计、热力循环回路等等。有些术语可能太专业，在阅读的过程中，大家可以XX一下，会有所帮助的。1.压水堆先来看看压水堆。压水堆（英文简称PWR）最初是美国为核潜艇设计的一种堆型，然后逐渐发展到陆地上来。1957年，世界第一座商用压水堆核电厂希平港核电厂建成，功率为6万千瓦。五十多年来

6、，这种堆型得到了很大的发展，经过一系列的重大改进，已经成为目前技术上最成熟的堆型之一。以压水堆为热源的核电厂称为压水堆核电厂，它主要由核岛和常规岛组成。在压水堆核电厂的核岛中，最主要的四大部件是堆芯、蒸汽发生器、稳压器、主泵。 而常规岛主要是汽轮发电机组以及相关的辅助系统，核电厂的二回路与常规火电厂的蒸汽动力回路基本相似。压水堆的冷却剂是轻水，这是因为轻水不仅价格便宜，而且具有优良的热传输性能。所以在压水堆中，轻水不仅作为中子的慢化剂，同时也用作冷却剂。但是，从传热的角度看轻水有一个明显的缺点，就是常压下沸点太低了。而根据热力学原理，要使热力系统有较高的热能转换效率，就要提高温度；而要获得高的

7、温度，就必须增加冷却剂的系统的压力使其处于液相状态，其原理就好比我们日常使用的高压锅。因此压水堆是一种使冷却剂处于高压状态的轻水堆，现在我国大部分核电厂是压水堆核电厂。由于轻水的慢化能力及热传输能力都好，所以用轻水做慢化剂和冷却剂的轻水堆，结构紧凑，堆芯的功率密度大。体积相同的情况下，轻水堆功率较高；或者说在相同功率水平下，轻水堆比其它热中子堆型的堆芯体积小。这是轻水堆的主要优点，也是轻水堆的基建费用低、建设周期短的主要原因。在天然铀中，铀-235的丰度只有大约0.7%，是无法直接在压水堆中使用的。压水堆采用的是铀-235的富集度（铀-235同位素占的重量百分比）约为35的低浓铀。浓缩好后再通

8、过化学方法制得二氧化铀粉末，然后像“陶艺”一样进行高温烧结，得到圆柱形二氧化铀陶瓷芯块。直径约8mm，高约13mm，称之为燃料芯块。烧结好的燃料芯块一个一个地重叠着放在外直径约9.5mm、壁厚约0.57mm的锆合金管内，这种锆合金管称为燃料元件包壳管。锆合金管两端有端塞，燃料芯块完全封闭在锆合金管内，构成燃料棒。这些燃料元件呈细长的棒状，用多个定位格架定位，并组装成燃料组件。每一个燃料组件包括两百多根燃料棒，一般是将燃料棒排列成17行17列的正方形燃料棒束，组成燃料组件。燃料组件中间有一些棒的位置放置了空心管，以便插拔控制棒。控制棒是含镉、铪的金属棒，核反应堆的启、停和核功率的调节主要由控制棒

9、控制。燃料组件一个一个地排列在一起，并用上、下栅格板固定起来，这样就组成了一个接近圆柱形的堆芯。堆芯由一百多个燃料组件拼装而成，这些燃料组件总共包括几万根三米多长、比铅笔略粗的燃料棒。整个堆芯放置在一个圆柱形的承压容器内，是核反应堆的心脏。冷却剂流过堆芯后吸收堆芯释放出来的热量，温度升高，密度降低，从堆芯上部流出。一般入口水温300 左右，出口水温330左右，堆内压力保持在150个大气压左右。一座100万千瓦的压水堆，堆芯每小时冷却水的流量约6万吨。这些冷却水被封闭在冷却剂回路内往复循环，并在循环过程中不断抽出一部分水进行净化，净化后再返回到冷却剂回路。冷却剂回路有时又称为一回路。核反应堆内的

10、冷却剂，由于有热胀冷缩及其它原因，如果不采取措施，在密闭回路内冷却剂的压力会波动，从而使反应堆的运行工况不稳定。因此，在冷却剂的出口和蒸汽发生器之间设有稳压器，稳压器是一个的空心圆柱体，里面大约一半水一半汽，用可压缩性比较好的蒸汽来缓冲压力的波动。冷却剂从蒸汽发生器的管内流过后，经过冷却剂回路循环泵又回到反应堆堆芯。冷却剂回路循环泵又称主泵。综上所述，包括压力容器、蒸汽发生器、主泵、稳压器及连接它们的管道阀门系统，是冷却剂回路的压力边界（一回路），它们都被安置在安全壳厂房内，称之为核岛。蒸汽发生器内有很多传热管，传热管内侧流动的是一回路的高温水，而传热管外侧流动的是二回路的水。一回路的水流过蒸

11、汽发生器传热管时，将携带的热量传输给二回路内流动的水，从而使二回路的水变成280左右的、67MPa的高温蒸汽。所以在蒸汽发生器里，一回路与二回路在互不交混的情况下，通过管壁发生了热交换。蒸汽发生器是分隔一回路和二回路的关键设备，一回路和二回路通过蒸汽发生器传递热量，蒸汽发生器的本质是一个巨大的换热器。压水堆核电厂由于设置了二回路，使得正常运行情况下二回路的蒸汽没有放射性。从蒸汽发生器产生的高温蒸汽，就可以去汽轮机做功带动发电机发电了。从汽轮机流出的压力已很低的乏汽，在冷凝器里凝结成水，然后又回到蒸汽发生器吸收冷却剂回路内的热量，变成高温蒸汽。因此二回路的水是在蒸汽发生器、汽轮机、冷凝器组成的密

12、封系统内来回往复流动，不断重复由水变成高温蒸汽、蒸汽做功、冷凝成水，水又变成高温蒸汽的过程。在这个过程中，二回路的水从蒸汽发生器获得能量，将大约三分之一的能量交给汽轮机做功，带动发电机发电，余下的大约三分之二的能量由于温度参数太低而无法利用，通过冷凝器排出到环境中。冷却冷凝器用的水在三回路中流动，冷凝器实质上是二回路与三回路之间的热交换器。三回路是一个开式回路，利用它将汽轮机排出的乏汽中难以利用的热量排出到环境。在冷凝器里，三回路的水与二回路的水也是互不接触，只是通过冷凝器内的管壁交换热量。三回路的用水流量是很大的，一座100万千瓦的压水堆核电厂，三回路每小时需要四十多万吨冷却水。压水堆装料后

13、，大约经过一两年要进行一次更换燃料组件的操作，称之为换料，每次换料只需装卸三分之一的燃料组件。从反应堆中卸出的辐射过的燃料，通常称为乏燃料。卸出的乏燃料组件，放在反应堆旁边的贮存水池内。早期的压水堆换料停堆四个月，现在换一次料最短可以两个星期。换料时间的缩短，可缩短停电时间，提高核电厂利用效率，有利于核电厂更好地多发电。到目前为止，核电厂的燃料元件、主循环泵、蒸汽发生器、稳压器、压力容器的设计，正向标准化、系列化的方向发展。核电厂的研究开发工作，主要是为了进一步提高其安全性和经济性。有关各国在这方面都有庞大的研究计划，并开展广泛的国际合作。民用压水堆核电厂安全可靠，已经成为一种成熟的堆型，是核

14、动力市场上最畅销的“商品”。从20世纪60年代第一代商用压水堆核电厂诞生以来，压水堆的发展经历了几代的改进。压水堆的单堆电功率已达到170万千瓦，热能利用效率由28提高到35。我国在1971年开始进行核电厂的研究和设计。经过几十年的努力，我国迄今已经建成和正在建设的核电机组已经达到十几套，先后建成了秦山、大亚湾、田湾等多个核电基地。秦山核电厂是我国大陆第一座核电厂。它是我国自行设计建造的30万千瓦原型压水堆核电厂，于1985年开工建设，1991年12月15日首次并网发电，1994年投入商业运行，已有10多年安全运行的良好业绩，被誉为“国之光荣”。随后在30万千瓦机组的基础上，吸收国际先进技术，

15、自行设计、建造的秦山二期核电厂，装有两台60万千瓦压水堆核电机组，于1996年6月2日开工建设。1号机组于2002年2月6日实现首次并网，2002年4月15日提前47天投入商业运行。它的建成为我国核电自主化事业的进一步发展奠定了坚实的基础。田湾核电厂是从俄罗斯引进的2100万千瓦压水堆核电厂，位于江苏省连云港市。核电厂采用了全数字化仪控系统和双层安全壳，进一步提高了安全性能。它于1999年10月20日开工建设，两套机组分别在2004年和2005年投入商业运行。位于我国广东省深圳的大亚湾核电厂，是我国引进国外资金、设备和技术的第一座大型商用核电厂，也是我国改革开放以来最大的中外合资项目。它装有两

16、台单机容量为90万千瓦级的压水堆核电机组。两套机组分别在1994年2月和5月投入商业运行，每年的发电量超过100亿千瓦小时。20年合营期内上网电量的70送往香港。“九五”期间投资规模最大的能源项目之一位于深圳的岭澳核电厂，装有两台单机容量为90万千瓦级的压水堆核电机组，于2003年1月全面建成投入商业运行。1号机组第一个燃料循环就创造了连续安全运行332天的优异成绩。我国向巴基斯坦出口了一座压水堆核电厂，功率为30万千瓦，于2000年6月投入运行，目前运行情况良好。尽管压水堆压水堆在历史上是出过一次严重事故的，那就是1979年3月28日在美国三哩岛核电厂发生的事故。现在我国在建或拟建的核电厂主要为采用吸收世界20世纪60年代至90年代的建造运行经验，在设计上做了较大的改进的压水堆技术。2 沸水堆再来看看沸水堆。在压水堆中，冷却剂回路的水通过堆芯时被加热，随后在蒸汽发生器中将热量传给二回路的水使之沸腾产生蒸汽。那么是否可以让水直接在堆内沸腾产生蒸