《核能发电的原理》doc版.doc

核能发电的原理核能发电利用铀燃料进行核分裂连锁反应所产生的热，将水加 热成高温高压，核反应所放出的热量较燃烧化石燃料所放出的能量要高很多(相差约百万倍)，而所需要的燃料体积与火力电厂相比少很多。下面是有关于核能发电的原理及相关内容的介绍，一起来看看。核能发电的原理 核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。 要用反应堆产生核能,需要解决以下4个问题： 为核裂变链式反应提供必要的条件，使之得以进行。 链式反应必须能由人通过一定装置进行控制。失去控制的裂变能不仅不能用于发电，还会酿成灾害。 裂变反应产生的能量要能从反应堆中安全取出。 裂变反应中产生的中子和放射性物质对人体危害很大，必须设法避免它们对核电站工作人员和附近居民的伤害。 根据计算，以铀-235、钚-239、铀-233这些易裂变物质作核燃料时，每次裂变释放出的可利用能量大约都是200兆电了伏，每产生1兆瓦功率，铀-235的消耗率约为1.22克/天。1座百万千瓦级核电站年消耗铀-235约25吨。核能发电的核心装置是核反应堆。核反应堆按引起裂变的中子能量分为热中子反应堆和快中子反应堆。 快中子是指裂变反应释放的中子。热中子则是快中子慢化后的中子。大量运行的是热中子反应堆，其中需要慢化剂，通过它的原子核与快中子弹性碰撞将快中子慢化成热中子.热中子堆使用的材料主要是天然铀(铀-235含量3%)和稍加浓缩铀(铀-236含量3%左右)。根据慢化剂、冷堆剂和燃料不同，热中子反应堆分为轻水堆(包括压水堆和沸水堆)、重水堆、石墨气冷堆和石墨水冷堆。目前已运行的核电站以轻水堆居多，我国已选定压水堆作为第一代核电站。 核反应堆的起动、停堆和功率控制依靠控制棒，它由强吸收中子能力的材料(如硼、镉)做成。为保证核反应堆安全，停堆用的安全棒也是由强吸收中子材料做成。 核能发电简史 1954年，苏联建成世界上第一座装机容量为5兆瓦(电)的核电站。英、美等国也相继建成各种类型的核电站。 1960年,有5个国家建成20座核电站，装机容量1279兆瓦(电)。 1966年，由于核浓缩技术的发展，核能发电的成本已低于火力发电的成本。核能发电真正迈入实用阶段。 1978年全世界22个国家和地区正在运行的30兆瓦(电)以上的核电站反应堆已达200多座,总装机容量已达107776兆瓦(电)。 1980年代因化石能源短缺日益突出，核能发电的进展更快。 1991年，全世界近30个国家和地区建成的核电机组为423套，总容量为3.275亿千瓦，其发电量占全世界总发电量的约16%。 80年代才动工兴建核电站。中国自行设计建造的30万千瓦(电)秦山核电站在1991年底投入运行。大亚湾核电站正加紧施工。 核能发电发展趋势 全球发展 核能是很多国家的主要电力来源。来自国际原子能机构的数据显示，到2007年1月，世界各地有435座动力堆在运行。在这些在役的反应堆中美国有103个、法国59个，日本55个、俄罗斯31个、英国19个，仅这5个国家就占全球在役反应堆的60%以上。一、全球核电稳步增长 2005年的发电容量总计净增230万千瓦，全年发电量占世界发电量的19.28%，并与全球电力市场稳定增长保持同步。另外，截至2007年3月，全球在建的核反应堆有30个，发电容量将达到24.251亿瓦，其中大多数在亚洲，共有16个(印度7个，中国5个，朝鲜、伊朗、日本和巴基斯坦各1个)。 2005年，至少有15个国家核能发电量占本国发电总量的30%以上，占1530%的国家有6个，其中法国核电生产量在其电力生产量的份额接近80%。2005年全球并入电网的核电机组有4台，其中日本两台，印度和韩国各一台;同年，加拿大一台闲置的机组重新并入电网。 二、全球核电反应堆以轻水堆为主 核反应堆是核电厂的心脏，核裂变链式反应在其中进行。反应堆的类型繁多，有不同的分类标准，如按中子能量、冷却剂和慢化剂、堆芯结构，以及用途进行分类。其中，在核电工业中更多地是按照冷却剂和慢化剂分类进行分类。轻水堆、重水堆、石墨堆是工业上成熟的主要发电堆。轻水反应堆是目前技术最成熟、应用最广泛的堆型。其优点是体积小，结构和运行都比较简单，功率密度高，单堆功率大，造价也低廉。建造周期短和安全可靠。它的缺点是轻水吸引中子的几率比重水和石墨大，因此仅用天然铀(天然铀浓度非常小)无法维持链式反应，需要将天然铀浓缩，浓缩度在3%左右，称作低浓铀。采用轻水堆的国家，在核燃料供应上大多依赖美国和独联体。此外，轻水堆对天然铀的利用率低，仅为33%，如果系列地发展轻水堆要比系列地发展重水堆多用天然铀50%以上。全球正在运行的以及在建的核反应堆中，大部分是轻水反应堆，占所有反应堆的85%以上。 三、核电站退役问题得到高度重视 到2007年3月初，在运行的435座反应堆中有100座的运行期已经超过30年。目前的两个基本退役方案是立即拆除和在拆除前长期安全封闭。截至2005年底，世界各地已有8座核电厂已经全部完成退役，17座核电厂已部分拆除并安全关闭，31座核电厂正在实施厂址最终解除监管之前的拆除，而30座核电厂正在进行长期封闭之前的最低程度拆除。而2006年间全球又有6个核电厂长期关闭。迄今，全球已经有119个反应堆关闭，与此相应的发电量为35.165亿瓦。在关闭的反应堆中，以压水堆、气冷堆等反应堆型为主。 四、核燃料铀价格持续上涨，但核资源不会成为制约核电开发的瓶颈 作为核能生产的主要燃料，天然铀的价格在上世纪80年代呈下降趋势，在90年代则起伏不定，但是自2001年开始，铀的价格持续上升，从2002年的25美元/kg上升到2005年的75美元/kg，5年间上涨三倍以上。铀价格的上涨一方面反映二次资源的耗竭，另一方面反映了核电原材料市场的供需现状。 燃料铀的需求主要取决于核电站的设备容量(核能发电量)，同时核电站运行寿命的延长和热功率的增加、设备利用率、运行环境与燃耗、天然铀价格和浓缩劳务价格的差额也是重要因素。全球核电站设备容量将随着以中国为主的亚洲地区核电开发的进展，有增加的趋势。国际原子能机构(IEIA)和世界核协会(WNA)等机构根据对中、长期(2020年)核电设备容量的预测，对中、长期铀需求的预测是：7349586070t(U)(IEAE对2020年的预测)和57700102500tt(U)(WAN对2005年的预测)。 从燃料铀的供给方面来看，全球生产铀的国家约为21个，其中加拿大和澳大利亚的生产量几乎占全球的一半，而能够自己供给本国核电站需要的只有加拿大和南非。世界铀生产量(生产能力)从2003年的47260t(U)增加到2005年的51155t(U)。但是，由于现有的铀矿山枯竭而关闭以及铀市场前景不明，铀生产者控制新铀矿山的勘探与开发，预测到2010年，铀的产量将降至43059t(U)，2015年将上升到43612t(U)，2020年又将降到43005t(U)。另外，库存铀、俄罗斯解体核弹头的高浓铀、美国的军用剩余高浓铀、钚、回收铀、再浓缩铀等二次供给源的存在，也是对铀矿山、矿床等生产的铀形成价格上的压力。由此，进一步控制新铀矿山的勘探与开发，再结合核电开发增长的需求，从供需双方面逼迫铀市场价格上涨。 然而，从铀资源的角度来看，IAEA按资源存在的准确度将铀资源区分为：确认资源(RAR)、推算追加资源(EAR-)、推算追加资源(EAR-)和期待资源(SR)。而且，按照回收(生产)成本，将生产成本低于40美元/kg(U)的铀资源称为“低成本铀资源”，将低于130美元/kg(U)的铀资源称为“经济的可回收铀资源”。 按照2003版REDBOOK，世界已知的铀资源(RAR+EAR-)中，回收成本低于130美元/kg(U)的铀资源合计为458.9万t(U);世界未发现的铀资源(EAR-+SR)合计为974.4万t(U)。而基于回收成本低于130美元/kg(U)的已知铀资源，按燃料循环，从铀资源的可开采年限看(铀资源量/年度铀需要量)，(1)以一次通过(直接处置)的轻水堆利用，为85年;(2)仅一次循环钚的轻水堆利用，为100年;(3)轻水堆与快堆(FBR)组合利用，为130年;(4)全部FBR利用，为2550年。再者，如果已知铀资源加上未发现的铀资源(EAR-+SR)，则有：(1)以一次通过的轻水堆利用，为270年;(2)一次循环钚的轻水堆利用，为300年;(3)轻水堆与快堆组合利用，为410年;(4)全部FBR利用，为8500年。因此，可以说铀资源在本世纪不会成为制约核能发电的瓶颈。 中国发展 2008年中国将开工建设福建宁德、福清和广东阳江三个核电项目。 根据2020年中国GDP翻两番的发展目标估计，国内约需发电装机容量8亿9亿千瓦，而已有装机容量仅为4亿千瓦。但在现有的发电结构中，单煤电就占了其中的74%。这也意味着若电力需求再翻一番，每年用煤就将超过16亿吨，而长距离的煤炭输送将加剧环境和运输压力。另外，在今年年初南方的冰灾中，光是因交通运输困难，电煤供应紧张，造成的缺煤停机超过3700万千瓦，19个省区拉闸限电。而如此大电煤消耗，二氧化硫和烟尘排放量每年分别新增500万吨和5326万吨以上。 1957年，人类开始建设核电站并利用核能发电，到现在，核电约占全世界电力的16%。 自1986年前苏联发生切尔诺贝利核电站核燃料泄漏事件以来，核电成了许多人心中的恶魔，中国也不例外。全球核电业就开始进入低潮。根据国际原子能机构的统计，2000年年底，全球正在运行的核动力堆共有438座，到了2003年