新能源的开发与应用.docx

新能源的开发与应用通过学习“新能源概论”这门选修课，我对新能源的开发与应用有了一定的了解，也对未来新能源的发展有一些自己的认识。在对这门课的学习过程中，我对核能的应用与研究比较感兴趣。通过查阅资料以及老师的讲解，我对核能的发展与研究有了更深的认识，也有一些看法。首先，核能（或称原子能）是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特爱因斯坦的方程E=mc ，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。核能通过三种核反应之一释放：1、核裂变，打开原子核的结合力。2、核聚变，原子的粒子熔合在一起。3、核衰变，自然的慢得多的裂变形式。其次它的发展经历了几个世纪，经过无数伟大的科学家的不懈努力，才有了今天核能研究的辉煌成果。让我们记住这些伟大的科学家们，和他们对核能做出的贡献。19世纪末 英国物理学家汤姆逊发现了电子。1895年德国物理学家伦琴发现了X射线。1896年法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。1898年居里夫人与居里先生发现新的放射性元素钋。1902年 居里夫人经过三年又九个月的艰苦努力又发现了放射性元素镭。1905年爱因斯坦提出质能转换公式。 1914年 英国物理学家卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元，称为质子。1935年 英国物理学家查得威克发现了中子。1938年 德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。1942年12月2日美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。核能的利用主要依赖核能发电，它的主要原理就是将核裂变产生的能量转化为水和水蒸气的内能，再转化为转子的机械能，从而产生电能。利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及 核能发电站蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。除沸水堆外（见轻水堆），其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的过饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。 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，利用产生的水蒸气推动蒸汽轮机并带动发电机。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），比较起来所以需要的燃料体积比火力电厂少相当多。核能发电所使用的的铀235纯度只约占3%4%，其馀皆为无法产生核分裂的铀238。举例而言，核电厂每年要用掉80吨的核燃料，只要2支标准货柜就可以运载。如果换成燃煤，需要515万吨，每天要用20吨的大卡车运705车才够。如果使用天然气，需要143万吨，相当于每天烧掉20万桶家用瓦斯。换算起来，刚好接近全台湾692万户的瓦斯用量。因此核能发电拥有和光明的发展前景，相对于火力，水力发电，核能发电无需燃烧化石燃料，也因此不会加剧温室效应，而且不收自然条件约束，产生大量电能的大量电能可以缓解地区的用电紧张，大大方便人们的生活。正是因为核能发电的诸多优点，自上世纪以来，以美国，苏联为首的科研大国开始加大对核能的研究力度，开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。我国在老一辈领导人的鼓励支持下，通过无数伟大科研工作者们的辛勤努力，核能研究也有了巨大发展。这其中就包括1964年我国第一颗原子弹的成功引爆，和中国第一座核电站-秦山核电站的落成。这也意味着我国的核能研究领域从此迈入了一个新的时代，中国从此也进入了核能大国的行列。各国对于核电站的建设步伐从没有停息过，迄今为止已经有四代核电站问世。但它们的诞生绝不是一蹴而就，而是在千千万万科研人员的不懈付出下不断改进才形成的。在这段历史进程中，各个国家都有自己的贡献。1954年，苏联建成世界上第一座装机容量为 5兆瓦(电)的奥布宁斯克核电站。英、美等国也相继建成各种类型的核电站。到1960年，有5个国家建成20座核电站，装机容量1279兆瓦（电）。由于核浓缩技术的发展，到1966年，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。80年代因化石能源短缺日益突出，核能发电的进展更快。到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%。中国大陆的核电起步较晚，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。大亚湾核电站于1987年开工，于1994年全部并网发电。核能站的发展犹如一篇史诗巨作，它的发展经历了四代，现在让我们来回顾这段历程。第一代核电站。核电站的开发与建设开始于20世纪50年代。1954年前苏联建成发电功率为5兆瓦的实验性核电站；1957年，美国建成发电功率为9万千瓦的Ship Ping Port原型核电站。这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述实验性的原型核电机组成为第一代核电机组。第二代核电站。20世纪60年代后期，在实验性和原型核电机组基础上，陆续建成发电功率30万千瓦的压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核电机组，他们在进一步证明核能发电技术可行性的同时，使核电的经济性也得以证明。世界上商业运行的400多座核电机组绝大部分是在这一时期建成的，习惯上称为第二代核电机组。第三代核电站。20世纪90年代，为了消除三里岛和切尔诺贝利核电站事故的负面影响，世纪核电业界集中力量对严重事故的预防和缓解进行了研究和攻关，美国和欧洲先后出台了先进轻水堆用户要求文件，即URD文件和欧洲用户对轻水堆核电站的要求，即EUR文件，进一步明确了预防与缓解严重事故，提高安全可靠性等方面的要求。国际上通常把满足URD文件或EUR文件的核电机组称为第三代核电机组。对第三代核电机组要求是能在2010年前进行商用建造。第四代核电站。2000年1月，在美国能源部的倡议下，美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷共10个有意发展核能的国家，联合组成了“第四代国际核能论坛”，与2001年7月签署了合约，约定共同合作研究开发第四代核能技术。核能为什么会引起时间主要大国的强烈兴趣，而纷纷投入巨资研究核能技术？原因很简单，因为相对于传统能源，核能拥有很多优点。核能的优点1. 核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。 近年来中国各地都爆发了很严重的雾霾天气，对人们的身体健康产生巨大的不良影响。而雾霾天气的诱因就是空气污染，由于近年来化石燃料的大量使用，大量用毒气体及颗粒被排入空气中，造成十分严重的空气污染。而核能就不会产生大量废气，颗粒，因此不会污染环境，有利于空气质量的提升。2核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。同样因为化石燃料的燃烧，大量二氧化碳被排入大气，造成温室效应。温室效应进而造成气候异常，生物多样性降低，海平面上升等严重后果。3核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，暂时没有其他的用途。核能发电的主要原料铀在地表中蕴含丰富，足以满足发展需求，因此核能近似于可持续资源。4核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，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。5核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。近年来由于石油的发现，人们从中获取了大量利益，尤其是石油资源丰富的中东地区。但是中东地区常年战乱，时局极其不稳，受此影响国际石油价格长期波动，对生产生活产生不良影响。而且以石油为主的化石燃料在地表的蕴藏有限，无法满足我们及子孙后代的需求。相比之下，核能原料充足，成本固定，无需考虑用光的风险，因此从长远利益看来，核能可以用来取代化石燃料成为主要能源。核电技术核能技术经历了一个多世纪的发展，到目前总共有四代核电技术。下面介绍一下最先进的第四代核电技术。第四代核能系统是一种具有更好的安全性、经济竞争力，核废物量少，可有效防止核扩散的先进核能系统，代表了先进核能系统的发展趋势和技术前沿。1999年6月，美国能源部（Department of Energy, DOE）核能、科学与技术办公室首次提出了第四代核电站（以下简称第四代核电）的倡议。2000年1月，DOE又发起、组织了由阿根廷、巴西、加拿大、法国、日本、韩国、南非、英国和美国等九个国家参加的高级政府代表会议，就开发第四代核电的国际合作问题进行了讨论，并在发展核电方面达成了十点共识，其基本思想是：全世界（特别是发展中国家）为社会发展和改善全球生态环境需要发展核电；第三代核电还需改进；发展核电必须提高其经济性和安全性，并且必须减少废物，防止核扩散；核电技术要同核燃料循环统一考虑。会议决定成立高级技术专家组，对细节问题作进一步研究，并提出推荐性意见。同年5月，DOE又组织了近百名国内外专家就第四代核电的一般目标问题进行研讨，目的是选出一个或几个第四代核电的概念，以便进一步开展工作。2001年7月，上述九国成立了第四代核能系统国际论坛（Generation IV International Forum, GIF）并签署了协议。2002年9月19日至20日，GIF在东京召开了会议，参加国家除上述九国外，还增加了瑞士（2002年2月加盟）。会上各国对第四代核电站堆型的技术方向形成共识，即在2030年以前开发六种第四代核电站的新堆型。第四代核电技术的设计目标美国开发第四代核电站的初衷主要是防止核扩散，目标是开发出面向发展中国家的超长寿命堆芯的密闭型小型反应堆核电站。但是经过2000年5月的“国际工作小组”会议以及GIF在2000年8月的汉城会议和2001年3月的巴黎会议等，美国采纳了其他成员国的意见，决定开展概念更广的新一代核能系统的开发。第四代核电站的开发目标可分为四个方面。核能的可持续发展 通过对核燃料的有效利用，实现提供持续生产能源的手段；实现核废物量的最少化，加强管理，减轻长期管理事务，保证公众健康，保护环境。提高安全性、可靠性 确保更高的安全性及可靠性；大幅度降低堆芯损伤的概率及程度，并具有快速恢复反应堆运行的能力；取消在厂址外采取应急措施的必要性。提高经济性 发电成本优于其他能源；资金的风险水平能与其他能源相比。防止核扩散 利用反应堆系统本身的特性，在商用核燃料循环中通过处理的材料，对于核扩散具有更高的防止性，保证难以用于核武器或被盗窃；为了评价核能的核不扩散性，DOE针对第四代核电站正在开发定量评价防止核扩散的方法。组成要素DOE于2001年4月征集到了12个国家的94个第四代核电站反应堆系统，其中水冷堆28个，液态金属冷却堆32个，气冷堆17个，其他堆型17个。2002年9月19日至20日在东京召开的GIF会议上，与会的10个国家在上述94个概念堆的基础上，一致同意开发以下六种第四代核电站概念堆系统。（一）气冷快堆系统气冷快堆（gas-cooled fast reactor, GFR）系统是快中子谱氦冷反应堆，采用闭式燃料循环，燃料可选择复合陶瓷燃料。它采用直接循环氦气轮机发电，或采用其工艺热进行氢的热化学生产。通过综合利用快中子谱与锕系元素的完全再循环，GFR能将长寿命放射性废物的产生量降到最低。此外，其快中子谱还能利用现有的裂变材料和可转换材料（包括贫铀）。参考反应堆是288兆瓦的氦冷系统，出口温度为850。（二）铅合金液态金属冷却快堆系统铅合金液态金属冷却快堆(lead-cooled fast reactor, LFR)系统是快中子谱铅（铅/铋共晶）液态金属冷却堆，采用闭式燃料循环，以实现可转换铀的有效转化，并控制锕系元素。燃料是含有可转换铀和超铀元素的金属或氮化物。LFR系统的特点是可在一系列电厂额定功率中进行选择，例如LFR系统可以是一个1200兆瓦的大型整体电厂，也可以选择额定功率在300400兆瓦的模块系统与一个换料间隔很长（1520年）的50100兆瓦的电池组的组合。LFR电池组是一个小型的工厂制造的交钥匙电厂，可满足市场上对小电网发电的需求。（三）熔盐反应堆系统熔盐反应堆（molten salt reactor, MSR）系统是超热中子谱堆，燃料是钠、锆和氟化铀的循环液体混合物。熔盐燃料流过堆芯石墨通道，产生超热中子谱。MSR系统的液体燃料不需要制造燃料元件，并允许添加钚这样的锕系元素。锕系元素和大多数裂变产物在液态冷却剂中会形成氟化物。熔融的氟盐具有很好的传热特性，可降低对压力容器和管道的压力。参考电站的功率水平为1000兆瓦，冷却剂出口温度700800，热效率高。（四）液态钠冷却快堆系统液态钠冷却快堆（sodium-cooled fast reactor, SFR）系统是快中子谱钠冷堆，它采用可有效控制锕系元素及可转换铀的转化的闭式燃料循环。SFR系统主要用于管理高放射性废弃物，尤其在管理钚和其他锕系元素方面。该系统有两个主要方案：中等规模核电站，即功率为150500兆瓦，燃料用铀-钚-次锕系元素-锆合金；中到大规模核电站，即功率为5001 500兆瓦，使用铀-钚氧化物燃料。该系统由于具有热响应时间长、冷却剂沸腾的裕度大、一回路系统在接近大气压下运行。（五）超高温气冷堆系统超高温气冷堆(very high temperature reactor, VHTR)系统是一次通过式铀燃料循环的石墨慢化氦冷堆。该反应堆堆芯可以是棱柱块状堆芯（如日本的高温工程试验反应器HTTR），也可以是球床堆芯（如中国的高温气冷试验堆HTR-10）堆芯出口温度为1 000，可为石油化工或其他行业生产氢或工艺热。该系统中也可加入发电设备，以满足热电联供的需要。此外，该系统在采用铀/钚燃料循环，使废物量最小化方面具有灵活性。参考堆采用600兆瓦堆芯。（六）超临界水冷堆系统超临界水冷堆系统是高温高压水冷堆，在水的热力学临界点以上运行。超临界水冷却剂能使热效率提高到轻水堆的约1.3倍。该系统的