第5章：核能发电技术基础.ppt

新能源及其发电技术基础 第五章 核能及其发电技术基础 5 1关于核能 核燃料及核燃料循环 本章主要内容 5 2核反应堆 5 3核电站 5 4辐射防护与核安全 5 5核能的未来发展 第五章 核能及其发电技术基础 一 切尔诺贝利核电站事故简介 1 电站概况 切尔诺贝利核电站位于前苏联西部 距乌克兰首府基辅北部接近白俄罗斯边境130KM处 电站旁为普里皮亚河 电站安装4台1000MW的机组 一期2台1977年发电 二期2台1983年发电 采用石墨水冷反应堆 铀燃料棒用锆合金作包壳 石墨作慢化剂 5 1关于核能 核燃料及核燃料循环 事故后的切尔诺贝利核电站 事故惨状 石棺 抢险纪念碑 一 切尔诺贝利核电站事故简介 2 事故经过 1986年4日6日凌晨4号核反应堆 4 事故后遗症 3 事故原因 设计缺陷及操作违章 5万平方公里土地受到不同程度的辐射污染 在这场爆炸中 有31位切尔诺贝利电站员工和消防队员当场或在不久之后丧命 自1986年以来 周边地区估计有2 500多人死于非命 还有数千人由于受到该次事故产生的高浓度的辐射 正遭受各种健康问题的折磨 三百五十万人从乌克兰地区疏散 但仍然有五百多万人生活在受污染地区 电站30公里以内的地区被定为 禁入区 距核电站7000米以内的1000公倾森林逐渐死亡 在半个世纪的时间里 10千米以内不能耕作 放牧 在10年内禁止在100千米范围内生产牛奶 5 1关于核能 核燃料及核燃料循环 二 开发核能的动因 1 化石能源行将用尽 2 化石能源严重污染环境 3 人口与能源的矛盾日益突出 4 核能的优点 5 中国必须发展核能 2050年达到中等发达国家的标准 1 人均GDP 10000美元 2002年963美元 2 人均年消耗能源 3 4t标准煤 2002年1 15t 3 人均发电装机容量 1KW 2002年0 275KW 5 1关于核能 核燃料及核燃料循环 三 核能的利用形式 1 关于核变化 1 物理变化 分子不发生改变 2 化学变化 原子不发生改变 3 核变化 原子核发生变化 2 两种核能 核裂变 核聚变 5 1关于核能 核燃料及核燃料循环 四 核燃料及其核燃料循环 5 1关于核能 核燃料及核燃料循环 1 核燃料 能够发生核裂变或核聚变的材料 主要有 铀 钚 钍 氘 氚等 2 核燃料循环 1 铀矿的勘探和开采 2 铀矿的加工和精制 3 铀的同位素分离 4 燃料元件的制造 5 在反应堆中使用核燃料 6 核燃料后处理 7 放射性废物的处理处置 核燃料循环 铀 钚核燃料循环示意图 五 核能的军事应用 5 1关于核能 核燃料及核燃料循环 长崎原子弹现场 长崎原子弹爆炸 长崎原子弹现场 美国投在广岛的原子弹 小男孩 1945年8月6日8时15分17秒 11 4平方公里范围被夷为平地 48000幢建筑全毁 22178幢半毁 当日死亡78150人 负伤失踪51408人 几年后公布死亡超过20万人 1985年广岛公布受害总人数49万人 小男孩 直径0 74米 长3 2米 重4 4t 核材料 铀 235 爆炸威力1 5万吨TNT当量 5 2核反应堆 一 核反应堆的用途 1 产生动力 2 生产新的核燃料 3 生产放射性同位素 4 进行中子活化分析 5 进行中子照相 6 进行中子嬗变搀杂生产高质量单晶硅 7 利用中子进行基础研究与应用研究 8 利用 射线进行辐射化学研究与辐射加工 利用核裂变产生的中子 利用核裂变产生的能量 5 2核反应堆 二 核反应堆的类别 按反应堆的用途分 动力堆 生产堆 研究堆 压水堆 沸水堆 压力管式水堆 高温气冷堆 快中子增殖堆 天然铀石墨堆 天然铀重水堆 轻水堆 重水堆 石墨堆 游泳池堆 高通量堆 5 2核反应堆 三 核反应堆的基本构成 1 核燃料元件 2 慢化剂 3 反射层 4 控制棒 5 冷却剂 6 屏蔽层 核反应堆 5 2核反应堆 三 核反应堆的基本构成 1 核燃料元件 水堆 核燃料是把小指头大的烧结二氧化铀芯块 装到锆合金管中 将二百多根装有芯块的锆合金管组装在一起 成为燃料组件 每个组件中有一束控制棒 控制着链式反应的急缓程度和反应的开始与终止 5 2核反应堆 三 核反应堆的基本构成 2 慢化剂 1 慢化剂的作用核裂变产生能量很高的快中子 热中子堆主要用热中子引起核裂变反应 因此需要采用慢化剂将中子慢化成能量适当的热中子 2 慢化剂的特点很快的使中子的速度减慢下来 又不要太多的吸收中子 具有良好的热稳定性和辐照稳定性 具有良好的传热性能 3 常用慢化剂水 重水 石墨 铍 氧化铍等 5 2核反应堆 三 核反应堆的基本构成 3 反射层 热交换器 核裂变产生的中子总有一部分逃逸到堆芯外 为了减少中子损失 用反射层将逃逸的中子反射回去 可以用铀238或钢铁等 5 2核反应堆 三 核反应堆的基本构成 4 控制棒 1 控制棒的作用控制棒的作用是保证反应堆的安全 开 停反应堆和调节反应堆的功率 控制棒内装有强烈吸收中子的元素 称为中子毒物 2 控制棒的调节当反应堆处于未运行状态时 控制棒和燃料元件放在一起 中子首先被中子毒物吸收而不会引起核燃料的裂变反应 开堆时控制棒提起 引起核裂变停堆时控制棒插入 终止核裂变 3 控制棒的控制方式电动机带动的齿轮传动机构 液压机构 磁力提升等 5 2核反应堆 三 核反应堆的基本构成 5 冷却剂 6 屏蔽层 第五章 核能及其发电技术基础 5 3核电站 一 核电站核反应堆的种类 主要内容 二 压水堆核电站 三 沸水堆核电站 四 重水堆核电站 五 核电站发展概况 5 3核电站 一 核电站用核反应堆的种类 目前世界各地的核能发电反应堆约有四百四十个 总装机容量约353 000兆瓦或353千兆瓦 用作商业运行的反应堆主要包括 1 压水式反应堆 压水堆 2 沸水式反应堆 沸水堆 3 重水压水式反应堆 CANDU 4 压力管式石墨慢化沸水反应堆 RBMK 一 核电站核反应堆的种类 1 压水式反应堆 压水堆 压水式反应堆是轻水反应堆的一种 利用普通水作为冷却剂及慢化剂 压水式反应堆有一个主冷却剂回路 一回路 冷却水会在超过150巴 1巴 100千帕 的高压下流过反应堆堆芯 并带出核裂变产生的热能 然后流入蒸汽发生器 通过热交换 在二回路产生蒸汽 以推动涡轮发电机 把热能转化为电力 在运作期间 一回路的水温会高达摄氏300度以上 并保持150巴以上的高压 以防沸腾 一 核电站核反应堆的种类 2 沸水式反应堆 沸水堆 沸水式反应堆是轻水反应堆的一种 这种反应堆和压水式反应堆相似 均利用普通水作为冷却剂及慢化剂 但沸水式反应堆只有一个连接反应堆和涡轮机的回路 且没有装设蒸汽发生器 反应堆的水会维持约75巴的低压 令水可以在大约摄氏285度时沸腾 反应堆所产生的蒸汽会经过堆芯上方的蒸汽分离器 然后直接送到涡轮机 离开涡轮机的蒸汽会经过冷凝器 凝结为液态水 给水 然后回流至反应堆 俾能再次转化为蒸汽 一 核电站核反应堆的种类 3 重水压水式反应堆 CANDU CANDU是重水压水式反应堆的一种 以天然铀燃料 U 238 运作 并以重水 D2O 作为冷却剂及慢化剂 CANDU是CANadaDeuteriumUranium的简称 CANDU反应堆可在运作期间更换燃料 RBMK是前苏联设计的一种以普通沸水为冷却剂 以石墨为慢化剂的压力管式反应堆 可以实现不停堆更换燃料 4 压力管式石墨慢化沸水反应堆 RBMK 二 压水堆核电站1 构成及工作过程 核岛 常规岛 其它部分 二 压水堆核电站 2 主冷却剂系统 反应堆压力壳 蒸汽发生器 主冷却泵 稳压器 二 压水堆核电站 3 三回路循环系统 一回路循环 二 压水堆核电站 3 三回路循环系统 一回路循环 反应堆压力壳的高度约12米 内径约4米 壁厚达20厘米 约重314吨 蒸汽发生器是一个约高20米的热交换器 将一回路水的热能传送到二回路 然后把二回路给水转化为蒸汽 以推动涡轮发电机 稳压器的主要作用是维持一回路冷却水的压力 防止超压 稳压器直径约2米 长约13米 4 压水堆核电站的安全屏蔽 三 沸水堆核电站 特点 1 不需要蒸汽发生器 2 无一 二回路之分 3 系统结构简单 4 蒸汽带有放射性 5 气轮机需要屏蔽 6 检修复杂 四 重水堆核电站 特点 1 不需停堆更换燃料 通过自动换料机可以在任何负荷下换燃料 2 中子利用率高 3 发电的同时可以用于生产钴 60等放射性同位素 3 可以用任何一种核燃料 5 3核电站 五 核电站发展概况 1 世界核电站概况 截止2002年底 1 拥有核电站的国家数 32个 2 建成并运行的反应堆 442座 3 总装机容量 356746MW 4 核电占总装机容量比 17 5 在建核反应堆数 35座 6 在建机组装机容量 27743MW 五 核电站发展概况 2 世界各国核电占总发电量的份额 2002年底 五 核电站发展概况 3 中国已建 在建及核电站简介 秦山一期 1 30万KW 秦山核电站位于东海之滨美丽富饶的杭州湾畔 是中国第一座依靠自己的力量设计 建造和运营管理的30万千瓦压水堆核电站 1985年3月浇灌第一罐核岛底板混凝土 1991年12月首次并网发电 1994年4月设入商业运行 1995年7月通过国家验收 它的建成投产结束了祖国大陆无核电的历史 是我国和平利用核能的光辉典范 同时也使我国成为继美 英 法 前苏联 加拿大 瑞典之后世界上第七个能够自行设计 建造核电站的国家 1 秦山一期 1 30万KW 2 秦山二期 2 60万KW 秦山核电二期工程 是建设我国自主设计 自主建造 自主管理 自主运营的首座2 60万千瓦商用压水堆核电站 由中国核工业集团公司 国家电力公司华东公司 浙江电力开发公司 申能 集团 有限公司 江苏投资管理有限责任公司 安徽能源集团有限公司共同出资兴建 工程总投资为148亿元人民币 核电站的设计寿命为40年 核电秦山联营有限公司承担核电站的建造 运营和管理 主体工程于1996年6月2日开工 经过近6年的建设 第一台机组于2002年4月15日比计划提前47天投入商业运行 秦山二期 2 60万KW 3 秦山三期 2 72 8万KW 秦山核电三期工程是国家 九五 重点工程 是中国和加拿大两国政府迄今为止合作建设的最大项目 也是我国首座商用重水堆核电站工程 秦山秦山核电三期工程采用加拿大成熟的坎杜6型商用核电技术 由加拿大原子能有限公司 AECL 总承包 总装机容量为2 72 8万千瓦 设计寿命40年 平均设计年容量因子85 参考电厂为韩国月城核电站3号 4号机组 项目总投资28 80亿美元 秦山三期 2 72 8万KW 秦山三期 2 72 8万KW 4 大亚湾核电站 2 98 4万KW 大亚湾核电站是我国大陆第一座大型商用核电站 拥有两台98 4万千瓦的压水堆核电机组 1982年12月国务院批准建设 1985年1月成立广东核电合营有限公司 1987年8月主体工程开工 1994年5月全面建成投入商业运行 到2005年已成功实现安全运行11周年 大亚湾核电站按照党中央 国务院确定的 借贷建设 售电还贷 合资经营 的模式 坚持高起点起步 走引进 消化 吸收 创新之路 为我国核电事业实现跨越式发展 后发追赶国际先进水平奠定了坚实的基础 大亚湾核电站 2 98 4万KW 大亚湾岛内景 大亚湾常规岛内景 5 岭澳核电站 2 99万KW 岭澳核电站一期是中国广东核电集团按照国务院确定的 以核养核 滚动发展 方针 继大亚湾核电站投产后 在广东地区兴建的第二座大型商用核电站 是国家 九五 期间批准建设的我国最大能源项目之一 岭澳核电站一期拥有两台装机容量为99万千瓦的压水堆核电机组 主体工程1997年5月开工 2003年1月建成投入商业运行 2004年7月16日通过国家竣工验收 岭澳核电站 2 99万KW 6 田湾核电站 2 100万KW 田湾核电站工程是依据中俄两国政府协议 在核能领域进行的高科技合作项目 是列入我国 九五 计划的重点工程之一 厂址位于江苏省连云港市连云区田湾 厂区按4台百万千瓦级核电机组规划 并留有再建2至4台的余地 一期建设2台单机容量106万千瓦的俄罗斯AES 91型压水堆核电机组 设计寿命40年 年平均负荷因子不低于80 年发电量为140亿千瓦时 单台机组的建设工期为62个月 计划分别于2004年和2005年建成投产 田湾核电站 2 100万KW 五 核电站发展概况 4 中国拟建核电站 1 岭澳核电站 二期 项目规划建设两台百万千瓦级压水堆核电机组 采用岭澳核电站一期 翻版加改进 的技术方案 计划于2005年12月正式开工 2010年和2011年两台机组分别建成并投入商业运行 2 阳江核电站 位于粤西阳江市 规划建设6台百万千瓦级或更大容量的核电机组 分两到三期建设 首期建设两台 预计主体工程于2007年开工 首期两台机组2012年左右建成投入商业运行 3 海阳核电站 烟台海阳市海大辛家镇的冷家庄附近 距青岛直线距离约108公里 总投资预算为600亿元 设计规模为6台百万千瓦机组 五 核电站发展概况 4 中国拟建核电站 4 吉林白山核电站 初步站址选在靖宇县的赤松和那尔轰 预计总装机容量400万千瓦 投资近400亿元人民币 中国电力投资公司将准备投资 5 湖南核电站 初定湖南核电项目一期建设的厂址从华容和桃源两地进行选择 规划装机600万千瓦 一期工程建设装机2 100万千瓦 计划在今年内完成初步可行性研究工作 上报项目建议书 6 辽宁红沿河核电站 位于大连瓦房店市东岗镇 是国家重点能源建设工程 该工程规划装机总容量600万千瓦 工程建设工期为6年 估算总投资600亿元 工程全部竣工投产后 年发电量为525 6亿度 其中 一期工程计划投资260亿元 规划建设两台百万千瓦级核电机组 一期工程竣工后 年发电量可满足两个中等城市一年的用电需求 第五章 核能及其发电技术基础 5 4辐射防护与核安全 一 辐射及其危害 二 辐射的监测与防护 三 核安全 四 核能与环境 5 5核聚变简介 5 4辐射防护与核安全 一 辐射及其危害 1 原子的结构 原子有一个被电子包围着的原子核 细小的原子核内含不带电荷的中子及带正电荷的质子 而带负电荷的电子则沿轨道环绕原子核运行 情况就好像行星环绕太阳运行一样 一 辐射及其危害 2 不稳定的原子核 有些原子核 尤其是那些较大的原子核 却是不稳定的 这些不稳定的原子核具有放射性 它会自发地释放出粒子或电磁波 从而回复到稳定的状态 这个过程称为衰变 3 何谓辐射 具有放射性的原子核称为放射性核素 而放出的粒子和电磁波则统称辐射 辐射可以是 粒子 粒子 射线或中子 一 辐射及其危害 4 放射形核素的半衰期 放射性核素在衰变过程中 该核素的原子核数目会逐渐减少 衰变至只剩下原来数目一半所需的时间称为该核素的半衰期 一 辐射及其危害 5 辐射的来源 天然辐射我们接触到的天然辐射包括来自外太空的宇宙射线及存在于食物 空气及居住环境的天然放射性物质等 人工辐射我们接触到的人工辐射以用于医疗诊断的X射线所占比例最多 其余的来源有大气层核试产生的放射性尘埃 夜光表 电离室 烟雾探测器等 一 辐射及其危害 6 辐射的种类 非电离辐射 非电离辐射包括低能量的电磁辐射 我们经常接触到的有紫外线 光线 红内线 微波及无线电波等 它们的能量不高 只会令物质内的粒子震动 温度上升 电离辐射 包括高速粒子及高能量电磁波 它们的高能量可把其他原子内的电子撞出原子之外 产生带正电荷的离子及带负电荷的电子 一 辐射及其危害 7 辐射的危害 8 生活中的辐射 各种液体的放射性水准 核电站排放物会使人的一生寿命缩短24s 这与因抽烟缩短寿命7 10年相比 可以说微乎其微 5 4辐射防护与核安全 二