清洁能源材料

第二章清洁能源材料第一节核能与核能材料一、核能概述世界上第一座商业化核电站1956年在英国运作，现在有435座商业化核电反映堆运行在30个国家，总容量370，000Mwe，供应全球电力的16%。尚有56个国家拥有284个研究堆和220个船用核动力装置。正在建设的核反映堆有30个，计划建设的核反映堆超出70个通过50余年的核能运用和发展，世界上已有448座核电机组在运行，核电站容量达成368.4GW(国家能源局副局长刘琦:中国发展清洁能源面临诸多挑战)

我国能源体系的特点是以燃煤为主，约占一次性能源消耗量的70%，到本世纪中叶，煤、气等常规能源将不能满足我国快速发展的经济对能源的需求。从环境的角度看，煤和石油的燃烧，造成严重的环境污染，我国许多都市污染物浓度达成世界前列。如沈阳、北京和上海等。我国民用核动力事业起步晚，1991年12月浙江嘉兴的秦山核电站初次并网发电，1994年4月设入商业运行，1995年7月通过国家验收。广东深圳的大亚湾核电站1987年8月7日工程正式开工，1994年2月1日和5月6日两台单机容量为984MWe压水堆反映堆机组先后投入商业营运。中国现在有4座核电站11台机组运行：秦山核电站，广东大亚湾核电站，田湾核电站，广东岭澳核电站在建和规划中的重要核电站7个：广东阳江核电站浙江三门核电站辽宁红沿河核电站江西九江彭泽核电厂将投资人民币400亿，2008年开工。涪陵核电厂投资人民币200亿2013年首台机组并网发电，湖南省拟建的核电站，现在已完毕水文等8个外围专项山东威海规划建设一座195兆瓦气冷式核电站，这将是全球首个投入商业运行的“球床”核反映堆2005年中国就公布了《核电中长久发展规划》，提出要加紧核电站的批量建设，推动核电产业化进程。根据规划，到2020年核电要达成4000万千瓦左右的装机容量，占全国电力装机容量的4%，占总发电量的6%。核能的优势

（1）核能是重要的电力来源。（2）核能的废气排放量极少。（3）核能的电力成本低

有关传统燃料可靠性及价格等问题也促使各国纷纷考虑核电。世界核协会按照发电厂建造及运行的全部电成本以两种利率进行了计算。按照10%的利率计算，每千瓦中档发电成本，核能为4.0美分，煤为4.7美分，天然气为5.1美分。按照5%的利率，每千瓦中档发电成本有所下降，核能为2.6美分，煤3.7美分，天然气为4.3美分。另外，化石燃料价格的上涨使核能更具优势。二、核能发电原理核能的释放普通有两种形式：重核的裂变和轻核的聚变重核裂变能源：是重核的裂变，即一种重原子核（如铀、钚），分裂成两个或多个中档原子量的原子核，引发链式反映，从而释放出巨大的能量轻核聚变能源：两个轻原子核（如氢的同位素氘），聚合成为一种较重的核，从而释放出巨大的能量。理论和实践都证明，轻核聚变比重核聚变释放出的能量要大得多。

运用重核裂变，人们已经制造出了原子弹，若通过反映堆对其加以人工控制，就可实现原子能发电。运用轻核聚变原理，人们已经制造出比原子弹杀伤力更大的氢弹，氢弹是无控制爆炸性核聚变。要实现核聚变能的和平运用，即核聚变发电，必须对核聚变实施人工控制，使核聚变反映按照人们的需要有序地进行，这就是受控核聚变。常见的压水反映堆核电站，重要涉及两大部分：一部分是运用核能生产蒸汽的核岛，涉及反映堆装置和回路系统；另一部分是运用蒸汽发电的常规岛，涉及汽轮发电机系统。核电站用的燃料是铀，它是一种很重的金属。用铀制成的核燃料在反映堆内发生裂变而产生大量热能，再用处在高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动气轮机带着发电机一起旋转，电能就源源不停地产生出来，并通过电网送到四周八方三、核能材料核动力发展必须解决两个重要问题：提高反映堆的安全性和改善其经济性,要解决这两个问题，一是从设计和管理上解决，研究发展固有安全性好，非能动反映堆，二是提高反映堆材料性能。先进核动力反映堆重要指先进型压水堆、先进型沸水堆、非能动简化型沸水堆、供热反映堆、模块式高温气冷堆、快中子反映堆、聚变反映堆、聚变-裂变反映堆和加速器驱动清洁核能系统（有称能量放大器）等。其中先进型压水、沸水、非能动沸水堆是对原来普通水堆的改善和发展。四、先进热中子反映堆材料先进热中子反映堆涉及先进压水堆、先进沸水堆、非能动沸水堆、低温供热堆和高温气冷堆。低温供热堆的重要目的是供热，而压水堆、沸水堆则是将核能转化为热能，最后把热能转化为电能输送出去。（一）LWR材料现在世界上的动力反映堆，绝大部分是轻水堆（LWR），LWR材料重要涉及核燃料、包壳、慢化材料和反射层材料、冷却剂、控制材料、压力容器和管道材料以及屏蔽材料。1、核燃料元件对核材料，完整的实际运行数据资料是应当有好的辐照稳定性和滞留裂变产物的能力。能够认为，UO2燃料的研究含有成熟的理论和实际应用经验，因此燃料现在几乎使用UO2燃料。2、包壳材料：包壳材料的性能规定是①含有一定强度和塑性，能承受裂变气体造成的压力和外部冷却剂的压力，并能适应燃料的肿胀变形。②良好的抗腐蚀性能，涉及燃料及裂变产物、冷却剂对包壳的腐蚀。③好的核性能，中子吸取截面小，辐射不产生严重的核反映等。④含有抗辐照机械性能，辐照不引发过量的强度增加和塑性减少。现在使用的包壳材料为Zr合金。安全壳的材料与构造3、冷却剂和慢化材料冷却剂性能的规定：传热系数大，冷却能力强；粘度低，易于流动；在较低压力下能获得高温；化学稳定性和辐照稳定性好，感生放射性小。水堆的冷却剂同时也是慢化剂，普通用轻水结合浓缩铀或重水做慢化剂。（二）高温气冷堆气冷堆的重要特性是采用陶瓷包覆型的UO2颗粒作为燃料。以石墨作为慢化剂，气体作冷却剂，包壳材料为镁合金。4、控制材料性能规定：中子吸取材料，惯用的控制材料有B4C，Hf，Cd，Ag-In-Cd五、聚变反映堆材料聚变反映堆是指运用轻原子（氘、氚、氦等）合成，释放大量结合能并加以运用的核反映堆。6个氘的聚变反映可产生43.15MeV的能量，是氢燃料放出能量的数千万倍。除能量巨大外，海水中的氘是取之不尽用之不竭的，因此聚变堆能够从根本上解决人类能源局限性的问题。与裂变堆比，燃料无放射性，系统更安全，不产生反射性废物。实现聚变反映，有两个基本条件：等离子体的约束和等离子体的加热。现在托卡马克型聚变堆是国际上最含有代表性的研究堆型。托卡马克堆采用强磁场约束等离子体，采用高速中性粒子入射加热等离子体。重要部件：①第一壁，它构成等离子体室；②偏滤器系统，它从DT反映中取出He；③包层系统，包层等离子体侧与第一壁相邻，背面与屏蔽层接触。它的作用是贮存氚增殖剂、提供氚，并向氦冷却剂传递热量；④磁场屏蔽；⑤燃料供应和等离子体加热热源。1、第一壁和包壳材料

第一壁材料受到能量为14.1MeV的中子辐照，现在作为第一壁和包层材料的候选材料重要有奥氏体钢、铁素体／马氏体钢、钒基合金和石墨及碳碳复合材料等，SiC/SiC复合材料在近期才被作为侯选材料。以前某些Mo，Nb，Mn等高温合金由于中子辐照产生长寿命活化产物，不再作为考虑对象辐照效应是第一壁和包层材料的重要问题。SiC含有优秀的高温性能、抗辐照性能，中子辐照活性较低，但SiC是脆性陶瓷材料，为了提高它的韧性和强度，采用SiC纤维增强制备SiC／SiC复合材料是比较有效的办法。2、偏滤器构造材料偏滤器比第一壁承受更高的热和粒子通量。偏滤器与第一壁材料结合，两者热膨胀系数要匹配，另外规定材料能承受高热负荷，与冷却剂、氢等离子体相容，抗辐照肿胀和脆化。候选材料有铜合金、钼合金和铌合金。铜合金的优点是导热率高，重要问题是热膨胀系数大，熔点低。钼合金和铌合金的优点是熔点高，热膨胀系数与碳、钨装甲材料相近。但钼合金的辐照脆化严重，制造和焊接困难。3、氚增殖材料包层内的氚增殖材料在中子作用下转换成氚，为聚变堆提供燃料中的氚。氚增殖材料是含锂的陶瓷或液态金属合金，涉及Li2O，LiAlO2，Li2SiO3，Li2ZrO3，Li2TiO3，液态Li和Li-Pb合金等。氚增殖材料的基本规定是，有一定的氚增殖能力，化学稳定性好，与构造材料相容，氚回收容易，残留量少4、聚变堆前景聚变堆核电站将从根本上“永远”解决人类能源供需的矛盾，但现在离实际应用尚有较长的距离，其中核心问题之一是聚变堆材料，特别是第一壁材料性能问题。在聚变堆核电站建成前，比较可行的是聚变一裂变混合堆，它是聚变能的早期应用。六、核能的发展1、第一核纪元：1942年---1986年1942年人类初次实现链式核反映，这是人类历史上一件划时代的大事。1979年三里岛事故给第一核纪元蒙上阴影，1986年切尔诺贝利核电厂重大事故基本宣布第一核纪元寿终正寝。4号堆加上“石棺”后的切尔诺贝利核电站

反映堆厂房只但是是一种普通工厂的大车间，至多只是一种没有门窗的“密封厂房”而已，根本没有“安全壳”。同时反映堆是压力管式，由压力管承压，石墨砌体直径很大，因此也没有压力壳。1986年4月26日发生灾难性事故的是核电站4号机组，该机组建成、投入运行是在1983年12月。1986年4月25日前，它始终稳定运行在额定满功率下，按计划4月25日停堆检修。RBMK石墨沸水堆设计本身存在着安全隐患，是堆设计中留下的缺点，也是这次事故的内在因素。切尔诺贝利核事故毁坏的4号反映堆切尔诺贝利核电站附近电影院已无观众入场，只剩余排排斑驳的座位学校地板上散落着木料

事故后从白俄罗斯、乌克兰和俄罗斯三国撤离了11.6万人，最后避迁移居了21万公众。最严重的健康效应是小朋友中的甲状腺癌发病率上升，到1995年确诊约800例。根据联合国有关组织从1