能源科学导论 核能在我国利用前景.doc

能源科学导论能源科学导论论文题 目 核电站在我国发展前景作 者 XXX，会计班，经济管理学院指导老师 XXX摘 要 本片论文的方向是分析核电站在我国的发展前景， 通过核电站的工作原理、核电站的优势及不足、世界各国核电站的发展以及我国国情来分析我国的核电站发展，并综合311日本福岛事件给核电发展带来的启示。得出的结论是：核电站在我国有很大的发展空间。二O一一年四月关键词：核电站；发展；启示能源在社会进步与科学发展之间扮演着越来越重要的作用。纵观历史，能源的发展和经济的增长之间亦存在着广泛的联系，但是目前利用的大部分能源是非可再生能源，且对环境的影响很大，能源部门是造成全球温室气体排放的主要部门【1】。新能源的开发和利用越来越受到人们的关注，因此，核能的安全利用与发展渐渐成为世界的焦点。核电站提供了世界上大约17%的电能，一些国家或地区对核电的依赖，要比其他发电方式更高【2】。本篇文章将概括的阐述核能利用现状以及核电站在中国的发展。一、核电站工作原理热堆的概念 中子打入铀235的原于核以后，原子核就变得不稳定，会分裂成两个较小质量的新原子核，这是核的裂变反应，放出的能量叫裂变能；产生巨大能量的同时，还会放出23个中子和其它射线。这些中子再打入别的铀235核，引起新的核裂变，新的裂变又产生新的中子和裂变能，如此不断持续下去，就形成了链式反应。利用原子核反应原理建造的反应堆需将裂变时释放出的中子减速后，再引起新的核裂变，由于中子的运动速度与分子的热运动达到平衡状态，这种中子被称为热中子。堆内主要由热中子引起裂变的反应堆叫做热中子反应堆（简称热堆）。热中子反应堆，它是用慢化剂把快中子速度降低，使之成为热中子（或称慢中子），再利用热中子来进行链式反应的一种装置。由于热中子更容易引起铀235等裂变，这样，用少量裂变物质就可获得链式裂变反应。慢化剂是一些含轻元素而又吸收中子少的物质，如重水、铍、石墨、水等。热中子堆一般都是把燃料元件有规则地排列在慢化剂中，组成堆芯。链式反应就是在堆芯中进行的。反应堆必须用冷却剂把裂变能带出堆芯。冷却剂也是吸收中子很少的物质。热中子堆最常用的冷却剂是轻水（普通水）、重水、二氧化碳和氦气。 核电站的内部通常由一回路系统和二回路系统组成。反应堆是核电站的核心。反应堆工作时放出的热能，由一回路系统的冷却剂带出，用以产生蒸汽。因此，整个一回路系统被称为“核供汽系统”，它相当于火电厂的锅炉系统。为了确保安全，整个一回路系统装在一个被称为安全壳的密闭厂房内，这样，无论在正常运行或发生事故时都不会影响安全。由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统，与火电厂的汽轮发电机系统基本相同。 自从核电站问世以来，在工业上成熟的发电堆主要有以下三种：轻水堆、重水堆和石墨汽冷堆。它们相应地被用到三种不同的核电站中，形成了现代核发电的主体。目前，热中子堆中的大多数是用轻水慢化和冷却的所谓轻水堆。轻水堆又分为压水堆和沸水堆。 压水堆核电站 压水堆核电站的一回路系统与二回路系统完全隔开，它是一个密闭的循环系统。该核电站的原理流程为：主泵将高压冷却剂送入反应堆，一般冷却剂保持在120160个大气压。在高压情况下，冷却剂的温度即使300多也不会汽化。冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆，并进入蒸汽发生器，通过数以千计的传热管，把热量传给管外的二回路水，使水沸腾产生蒸汽；冷却剂流经蒸汽发生器后，再由主泵送入反应堆，这样来回循环，不断地把反应堆中的热量带出并转换产生蒸汽。从蒸汽发生器出来的高温高压蒸汽，推动汽轮发电机组发电。做过功的废汽在冷凝器中凝结成水，再由凝结给水泵送入加热器，重新加热后送回蒸汽发生器。这就是二回路循环系统。压水堆由压力容器和堆芯两部分组成。压力容器是一个密封的、又厚又重的、高达数十米的圆筒形大钢壳，所用的钢材耐高温高压、耐腐蚀，用来推动汽轮机转动的高温高压蒸汽就在这里产生的。在容器的顶部设置有控制棒驱动机构，用以驱动控制棒在堆芯内上下移动。堆芯是反应堆的心脏，装在压力容器中间。它是燃料组件构成的。正如锅炉烧的煤块一样，燃料芯块是核电站“原子锅炉”燃烧的基本单元。这种芯块是由二氧化铀烧结而成的，含有24%的铀235，呈小圆柱形，直径为9.3毫米。把这种芯块装在两端密封的锆合金包壳管中，成为一根长约4米、直径约10毫米的燃料元件棒。把 200多根燃料棒按正方形排列，用定位格架固定，组成燃料组件。每个堆芯一般由121个到193个组件组成。这样，一座压水堆所需燃料棒几万根，二氧化铀芯块1千多万块堆芯。此外，这种反应堆的堆芯还有控制棒和含硼的冷却水（冷却剂）。控制棒用银铟镉材料制成，外面套有不锈钢包壳，可以吸收反应堆中的中子，它的粗细与燃料棒差不多。把多根控制棒组成棒束型，用来控制反应堆核反应的快慢。如果反应堆发生故障，立即把足够多的控制棒插入堆芯，在很短时间内反应堆就会停止工作，这就保证了反应堆运行的安全。 沸水堆核电站 沸水堆核电站工作流程是：冷却剂（水）从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒那里得到了热量，使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电。沸水堆是由压力容器及其中间的燃料元件、十字形控制棒和汽水分离器等组成。汽水分离器在堆芯的上部，它的作用是把蒸汽和水滴分开、防止水进入汽轮机，造成汽轮机叶片损坏。沸水堆所用的燃料和燃料组件与压水堆相同。沸腾水既作慢化剂又作冷却剂。沸水堆与压水堆不同之处在于冷却水保持在较低的压力（约为70个大气压）下，水通过堆芯变成约285的蒸汽，并直接被引入汽轮机。所以，沸水堆只有一个回路，省去了容易发生泄漏的蒸汽发生器，因而显得很简单。2、 核电的优势及不足优势：核能发电有一个重要的优点非常清洁。从环保角度来看，核电站相比火电站，简直就是做到了极致；核燃料能量密度比化石燃料高上几百万倍，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。人们对核电主要的顾虑有两点：一是单位装机容量基本投资较大，是常规火电的1.52.0倍；二是运行安全性，包括最终核废料的处理。其实，由于环保要求越来越高，常规火电站要加FGD、SCR、脱汞、脱微颗粒、最后脱CO2等装置，它们的造价一定会不断攀升，对核电站的价格上差别会逐渐消失。再考虑到核电站每年运行时间长，设备寿命也大于常规火电站，因此，从总体上来看，基本投资应不是一个问题。例如法国，由于大规模发展核电，法国的能源自主率已从1973年的22.7%提高到今天的50%。与欧洲邻国相比，意大利的能源自主率为16%。法国即没有英国的石油，也没有荷兰的天然气，更不像德国一样开采煤矿。核能使法国家庭支付的电费比欧盟的平均水平还低10%。此外，法国的二氧化碳排放量比德国和英国分别低40%和35%。核电在法国的电力及能源中占据了举足轻重的位置，在保证法国经济稳步和迅速发展上发挥了极为重要的重用。发展核电使得法国电力拥有强大国际竞争力。较低的建造成本和运行成本造就了法国核电强大的竞争力，其竞争优势日益明显。目前，法国已成为欧洲主要电力出口国，每年净出口电力达720亿kwh以上。同时，核电作为一种安全、清洁的能源，还为法国保持了一个优良的生态环境。随着技术发展，反应堆技术、自动控制技术，故障诊断和预报技术日臻完善，核电站应是十分安全的。不足：一旦发生事故，将带来前所未有的核辐射灾难，比如切诺贝利核电站，美国三里岛核电站，以及最近的日本辅导核电站。此外，目前大多是核电站是轻水堆核电站，而轻水堆核电站对天然铀的利用率低，而现在可供和平使用的裂变核燃料（如铀235），在地球上的储量也较少，大约能用20年。核废料也是制约核能利用的一个因素，些核废料是强发射性物质，会严重危害人类的生存。长期以来，科学家们一直在探讨核能源的洁净化问题，希望能有一种方法消除核废料。因此，洁净核能源技术的开发和应用便成为国际国内的一个热门话题。3、 世界各国核电站的现状1954年在库尔恰托夫的主持下，苏联建成了世界上第一座核电站奥布灵斯克核电站。目前，核电站提供了世界上大约17%的电能，一些国家或地区对核电的依赖，要比其他发电方式更高。根据国际原子能机构提供的数据，全世界有超过400座的核电站，其中，美国超过100座。发展核电是可持续发展战略的重要组成部分。目前，除燃烧化石燃料和水力发电外，只有核电是现实可行、技术成熟、具有大规模工业应用成功经验的能源。火电、水电、核电是电能生产的三大支柱。核电从其诞生之日起，就显示了强大的生命力。1954年，前苏联建成世界第一座实验核电站，功率为5000千瓦（5MWe）；1957年世界上第一座商用核电站美国希平港60MWe核电站并网发电。截止到2000年，世界上有436台运行的核电机组，总装机容量为351718MWe。法国是核电占总发电量份额最大的国家，达到75，美国是核电净装机容量最多的国家，有104台核电机组在运行，装机总容量超过100000MWe【3】。人们正在加紧开发利用快中子增殖反应堆发电，把占天然铀99以上的铀238同位素利用起来，现有的核燃料资源的利用率就会增加6070倍。现在的核电站都是利用核裂变能发电，如果实现了可控核聚变，人类就可以用氘来发电。1升海水可提取003克氘，这些氘通过核聚变能释放相当于300升汽油所提供的能量。到那时，人类能源问题将获得彻底解决。日本是亚洲第一个，也是唯一一个以核电为主要电力来源的国家。福岛事件之前，日本正在运行中的核电站有55座，占亚洲总数的2/3。除去核电供给，日本的电力自给率在发达国家中最低，仅有4，因此政府一直将核电发展作为安身立命的根本。日本在2009年发布的核电白皮书中提出，在2030年后，日本的核能发电将维持在总发电量的3040。为达成这一目标，将再兴建13座核电站。印度从上世纪70年代开始就把发展核电作为保障能源独立的重要突破口。目前，印度一共有14座民用核电站，核电装机容量基本上以每年1000兆瓦的速度快速增加，到2008年，正在建造中的8座核电站将初步竣工投产。根据印度原子能委员会主席卡科德卡的一份报告称，印度将致力于实现2020年核电生产达到2万兆瓦、装机容量占全国发电量25%的远景目标。 印度非常注重发展自主核能技术，在核能研发与利用领域在第三世界中位居前列，除了个别核电站是当年美国和加拿大援建的外，绝大部分都是印度自行设计建造的。不久前美国国会批准的美印核能合作协议，可以说是给印度的核电发展增加了动力。中国在核电中长期发展规划提出，计划在2020年前将核电站的总发电容量提高至3.6万兆瓦，届时将占总发电量的4%。韩国计划在15年内再建设8座以上的核电站，将核电比例增加到43.4%。越南、马来西亚、印尼等也都在考虑建设核电站。日本能源经济研究院的一份报告称，截至2030年，亚洲地区的核电装机容量将由现在的82百万千瓦增加到199百万千瓦。 四、我国核电站的现状及发展前景 在党中央、国务院的正确领导下，我国核电经过多年的发展，取得了显著成绩。核电设计、建设和运营水平明显提高，核电工业基础已初步形成。经过起步和小批量两个阶段的建设，目前形成了浙江秦山、广东大亚湾和江苏田湾三个核电基地。截至到2004年9月，我国共有9台核电机组投入运行，装机容量达到700万千瓦。2003年底，我国核电装机容量和核发电总量，分别占我国电力总装机容量和发电量的1.7%和2.3%。在浙江、广东两省，2003年核发电量均超过本省总发电量的13%，核电成为当地电力供应的重要支柱。到2005年在建机组全部投产后，我国核电将有11台机组、900万千瓦，届时占全国发电装机总容量的2%左右。秦山一期核电站已经安全运行13年，在2003年结束的第七个燃料循环中创造了连续安全运行443天的国内核电站最好成绩，2003年世界核电运营者协会（WANO）九项性能指标中，秦山核电站有六项指标达到中值水平，其中三项指标达到世界先进水平。秦山二期国产化核电站全面建成投产，实现了我国自主建设商用核电站的重大跨越，比投资1330美元/千瓦，国产化率55%，经受住了初步运行考验，表现出了优良的性能，实现了较好的经济效益和社会效益。秦山三期重水堆核电站提前建成投产，实现了核电工程管理与国际接轨，创造了国际同类型核电站的多项纪录。 广东大亚湾核电站投运10年来，保持安全稳定运行，部分运行指标达到国际先进水平，取得了较好的经济效益。广东岭澳核电站也已经全面建成投产并取得良好的运行业绩。江苏田湾核电站1号机组正在调试过程中。此外，我国出口巴基斯坦的恰希玛核电站2000年6月并网发电，2003年负荷因子达到85%。 2004年7月21日，国务院批准建设广东岭澳核电站二期工程、浙江三门核电站一期工程。会议要求各有关方面要努力落实国务院领导“不走错一步”的要求，统一组织，统一领导，确保核电自主化开发建设目标的实现，努力形成自主设计、设备制造和建设中国品牌核电站的能力。 总之，中国核电在技术研发、工程设计、设备制造、工程建设、项目管理、营运管理等方面，具备了相当的基础和实力，为加快发展积累了经验、奠定了坚实的基础。加快核电发展的时机已经成熟，条件基本具备。 1 核电设计。我国核工业拥有一支专业配置齐全、知识和年龄结构较为合理的核电研究设计队伍,形成了设计管理和接口控制程序以及质量管理体系；掌握了一些国外核电成熟的设计技术；能自主设计建设30万千瓦和60万千瓦压水堆核电站，也具备了以我为主、中外合作设计建设百万千瓦级压水堆核电站的能力。中国核工业集团公司组织有关核电设计院，开展了国产化百万千瓦级压水堆核电机组的设计工作，目前初步设计已经完成，进入初步设计审查阶段。 2 核电技术研发。我国核工业建立了专业齐全的核科研体系，培养了一支水平较高的核电科研队伍，已建成了具有国际水平的大型核动力技术试验基地，各种试验台架、科研设施齐全，具备了较强的自主开发能力和消化吸收国外先进技术的能力，基本上可以满足自主设计的需要，为核电技术进步和后续发展提供了有力保证。在设计技术研究工作中，解决了核电站工程设计的许多技术难点，初步形成了较为完善的核电工程设计分析的骨干程序系统。初步形成了一套先进反应堆设计方法和试验验证手段，提高了我国先进压水堆设计开发的能力。正在立足自主开发第三代、第四代核电关键技术。 3 核电工程建设管理。“九五”期间开工建设的核电项目，无论是国产化项目，还是中外合作的项目，都建立了规范的法人治理结构，项目业主对核电站建设和运营全面负责。在工程项目管理中，实行了招投标制和工程监理制，通过招标选择施工承包商和设备采购，有效降低了成本，确保了施工质量。在质量、进度、投资三大控制方面取得了较好成绩，积累了宝贵的经验。 4 核电设备制造。通过“八五”、“九五”期间的科技攻关和核电设备国产化的基础设施建设，我国的核设备设计、制造能力得到了很大提高。除了主泵、数字化仪控系统等少部分设备以外，国内已经具备了设计和制造百万千瓦级压水堆核电机组大部分设备的能力。哈尔滨、上海、四川东方三大发电设备制造基地和第一、第二重型机械制造集团已经成为加工制造大型核电设备的骨干企业。 5 核燃料保障。在核电建设的带动下，核燃料循环实现了较大幅度的技术进步，初步形成了包括铀矿地质勘探、铀矿采冶、铀转化、铀浓缩、元件制造以及乏燃料后处理、放射性废物管理等环节的较完整的核燃料循环工业体系，在一些关键环节实现了生产能力的扩大和工艺技术的跨越提升。 铀地质勘探通过对装备的技术改造，勘探能力得到加强，地浸砂岩型铀矿找矿工作不断取得突破；铀矿冶形成了以地浸、堆浸、原地爆破浸出为主的新型生产体系；铀同位素分离实现了从扩散法向离心法的过渡；全部核电站燃料元件均实现国内生产，质量达到国际先进水平，并生产出合格的高燃耗燃料元件产品。 6 建立了完善的核电安全管理、核事故应急和技术后援体系。我国政府特别关注核能的安全问题，已经建立了与国际接轨的安全监督管理体系和核安全法规，形成了一支独立的核安全监管技术队伍。核安全保障贯穿于核电站的设计、设备制造、建设、安装、调试、运行直到退役等各个环节。建立了从电厂、地方政府到中央政府的核事故应急体系，为保障核电站的安全和社会公共安全，积极开展了卓有成效的工作。 同时，我国核工业经过近五十年实践建立起来的核安全后援与技术支持体系，在核电机组的安全运行、环境保护、放射性废物处理等方面发挥了重大作用。 7 核电站厂址资源。经过多年的勘探和规划，我国已确定了相当容量的核电厂址。目前，已完成初步可行性研究的厂址绝大部分分布在沿海，可以满足2020年前再建约30台百万千瓦核电机组的需要。秦山核电基地还可以再安排2台百万千瓦机组，江苏田湾核电基地还可再安排6台百万千瓦机组，浙江三门厂址可安排6台百万千瓦机组，广东阳江、福建惠安、山东海阳都具有安排6台百万千瓦机组的条件。 8 中国核电发展具有广阔的市场空间。为满足经济的持续发展，据国家发改委和国家电网公司的规划和要求，全国电力总装机容量在2010年和2020年，需要达到6亿千瓦和近10亿千瓦。 2003年底，全国电力装机3.85亿千瓦，其中燃煤机组占74%，水电机组占24%，核电机组只占1.6%，风电仅占0.14%。我国