核反应堆基本概念与原理

1、1,核反应堆基本概念和原理,刘新林,西安交通大学 Tel13152410318 Email: ,2,一、世界能源状况及其特点,能源是提供能量的自然资源，是人类生存和发展的重要资源。关系国计民生并具有重要战略意义。 一次能源，二次能源，可再生能源，不可再生能源。,三次能源演变： 18世纪60年代产业革命：煤替代木柴； 20世纪20年代开始，石油和天然气的出现； 20世纪70年代能源危机，以石油为中心的能源体系开始向以煤、核能和其它可再生能源等多种能源结构的转变。,3,世界能源特点,目前全世界能源总消费量约为130亿吨标准煤，化石能源占85%以上，从能源的供应结构来看，

2、目前世界上消耗的能源主要来自煤、石油、天然气三大资源。 美国能源部对世界常规石油产量高峰值的预测显示：本世纪中叶，石油产量达到高峰值，然后逐渐下降。 矿石能源利用率低，而且对生态环境造成严重的污染。,4,美国能源部对世界常规石油产量高峰值的预测,0,10,20,30,40,50,60,70,1900,1925,1950,1975,2000,2025,2050,2075,2100,2125,2 % 需求增长率,下降率: R/P = 10,(高) 2047,(中) 2037,(低) 2026,十亿桶/年,5,B.tce,化石燃料峰值在2030左右 2060年左右可再生能源接近总能源消费量的一半,6

3、,矿石能源的污染问题,大量有机燃料的消耗给自然生态环境带来了严重污染。有机能源在燃烧过程中会产生大量的污染物质，其主要的污染物质有NOX、SO2、CO、CO2、有害烟尘等，这些污染物将对人类造成很大的危害。在所有污染物中，对人体危害较大的无机气体主要有NOX、SO2、CO等。 百万千瓦级的燃煤电厂每天燃烧8000t优质煤，向大气排放出300多吨有害物质。 1997年，全国烟尘排放总量为1873万吨，SO2排放总量为2346万吨，而其中主要来源于锅炉内煤的燃烧（约占31%）。据资料统计表明：火电厂排放的二氧化硫占全国工业污染的30%以上，到2015年该比例将上升50%左右，烟尘排放量占全国烟尘排

4、放量。 可持续发展战略：尽量减少污染物的排放总量，保护环境和自然资源，维持人类与环境协调发展。,7,40年,61年,227年,64年,使用钚时，数百年数千年,节约能源是我们的责任，也是我们的素质的具体体现 从我做起，从今天做起,8,我国能源结构特点（2002年）,一次能源消费量为14.8亿吨标准煤，产量为13.87亿吨标准煤，为世界第二大能源消费国 一次能源以煤为主，占近70% 人均能源消费水平还很低，只有世界平均水平的一半 发电装机容量3.57亿千瓦，居世界第2位 近年来我国能源需求已呈明显增长的趋势 分布不均匀,9,10,未来我国能源需求预测,2020年，我国一次能源需求值在2533亿吨标

5、煤之间，均值是29亿吨标煤 煤 炭：2129亿吨 石 油：4.04.5亿吨 天然气 ：16002000亿立方米 发电装机容量：8.69.5亿千瓦 2050年要达到目前中等发达国家水平，人均能源消耗应达3.0吨标煤以上， 能源需求总量约为50亿吨标煤,煤炭: 占50%以下，年产35亿吨，相当于目前全世界产量的80% 石油：2020年达到2亿吨的高峰，之后逐年下降，2050年约1.2亿吨 天然气: 估计约2000亿m3 水电: 400GW 核电: 340GW，相当于目前全世界核电的装机容量 全部常规能源供应只相当于33亿吨标煤,11,未来我国能源供应情景分析,12,未来50年我国石油产量预测（翁氏

6、模型法）,全国石油产量高峰约1.7-2.1亿吨，将出现在2010-2020年间 2050年以前全国石油年产量可保持在1亿吨以上,13,核能的优点：,世界核能发展状况,14,世界核电发展的几个阶段,19541960 试验阶段 19611969 实用化阶段 1969上世纪70年代末：大发展阶段 上世纪80年代上世纪末： 低潮阶段 1979年美国三哩岛（TMI）事故 1986年 前苏切尔诺贝利事故 这个阶段，核能仍在持续增长，而且是各种能源中增长速度最快的。同时在法国，日本，韩国，中国等国家，这个阶段仍坚持发展核电。 本世纪初：美国、德国等国家重新修正自己的核电方针，布什政府提出了核电复苏计划，发展

7、中国家也在积极准备筹建核电站，核能在本世纪必将大放异彩。,15,世界各国核电情况,据国际原子能机构2001年5月3日的统计数字表明，全球正在运行中的核电机组到2000 年年底共有438座，总发电能力为351327MW，发电量约占全世界总发电量的16，约为总发电量的六分之一。目前全世界还有31座核电机组在10个国家兴建，这31座核电机组建成后的总发电能力为27756MW。 据国际原子能机构的统计，2000年全世界核发电量为2447.53 TWh。到2000年年底，全世界民用核动力堆累计运行时间已超过9800堆年。,16,截止2003年,17,18,截止2003年,19,从正在运行的核电机组数来看

8、，运行机组数较多的有：美国104台，法国58台，日本53台，英国35台，俄罗斯29台，德国20台，乌克兰16台，韩国15台，加拿大14台，瑞典12台，印度10台。 同时可以看出：西欧和北美国家核电发展停滞衰退。亚洲和东欧的一些国家核电进一步发展。2000年美国和加拿大正在运行中的核电机组数量略有减少，为 118座（它们提供了美国20、加拿大12的电力）。不过最近有消息表明，美国在20多年内没上新的核电项目后，近期又开始重新考虑建设新的核电厂问题。西欧有150座核电机组正在运行中，预计今后几年将维持在这个水平上。中、东欧目前共有39座核电机组，还有几座新建的核电机组将要完工；俄罗斯联邦已有29座

9、在役的核电机组和3座在建的核电机组，还计划在圣彼得堡附近再建若干座1500MW的核电厂。中东、远东和南亚地区现有94座核电机组，而中国、印度、韩国和日本已经明确计划要扩大核发电能力。,20,世界核能发展趋势,21,我国目前已建的核电站装机容量为870万千瓦，约占总电量1.8，远远低于18%的世界平均水平 我国的能源结构、能源资源供给，交通运输以及环境保护等矛盾决定着我国必须大力发展核电 国家发改委2003年1月14日宣布，未来几年中国将大力发展核电，到2020年，中国核发电量占总发电量的比例有望达到4-6%,中国核能发展,22,2006年1至6月，9台商运机组总计发电252亿千瓦时。 运行期间

10、，未发生非计划停堆，人员剂量、放射性流出物排放量等远低于国家标准规定的限值，环境监测表明，核电厂未对周围环境带来任何不良影响。 辽宁红沿河核电站一期工程于6月28日开始负挖， 山东海阳等核电项目前期准备工作正在按计划进行之中。 浙江三门和广东阳江核电项目作为我国第三代核电技术自主化依托项目，现场前期工作进展顺利，具备机组负挖条件。 有关投资方和地方政府在广西、福建、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、广东等省沿海和内陆厂址的前期准备工作也在积极推进中。,23,秦山一期核电厂,24,秦山三期核电厂,25,大亚湾核电厂厂区,26,大亚湾核电厂厂区,27,大亚湾核电厂厂区,28,田湾核电厂,29,浙江三门

11、核电厂,30,二、核反应堆基本概念,1932年，英国物理学家查德威克发现了中子。 1935年获诺贝尔物理学奖,1938年，德国物理学家哈恩发现核裂变现象。 哈恩和斯特拉斯曼发现铁核受快中子轰击会发生裂变，由于发现核裂变， 哈恩获得1944年诺贝尔化学奖。,31,质能方程,质能亏损和结合能：单个核子的质量总是比结合在原子核里的每个核子的质量大。单个核子组成原子核时，由于核子间强大的核力作用，迫使核子相互强力碰撞而紧紧地结合时，发生了质量溅射。减少的这份质量。核子结合前后的质量差值，称为“质量亏损”，把结合时放出的能量称为“结合能”。,32,核裂变能：将某个重核分裂，变成中等质量核，中等质量核的结

12、合能要比重核大，因此这个重核的每个核子就要继续发生质量亏损而放出能量。,聚变能：几个轻核相互结合起来变成中等质量核，同样该过程中的核子将继续发生一部分质量亏损，变成能量放出。,33,34,1939年，哈恩和斯特拉斯曼在用中子轰击铀的生成物中发现了放射性的钡。,反应堆内的核反应,重核元素（如铀-235 U-235）收到中子轰击后，发生裂变：,一个核一次裂变放出200 Mev的能量 一公斤的U-235全部裂变放出的能量与2700吨标准煤相当,35,裂变中子 瞬发中子：99以上的铀235裂变中子再10-14s的裂变瞬间释放出来，能量分布再0.0510MeV范围内，平均能量2MeV，相当于20000k

13、m/s的速度，是快中子 缓发中子：0.65的中子随裂变碎片的逐步衰减而放射出来，持续几分钟之久，能量分布在250560KeV范围内。 对反应堆控制有重要影响。,裂变反应,裂变反应是由中子引起的，而反应结果又产生了新的中子。新的中子又能引起新的核裂变，裂变反应就能连续不断地进行下去，同时不断产生能量。这种反应就叫做链式裂变反应。,裂变产物 铀235裂变产物存在300多种放射性同位素和稳定同位素。 裂变产物中的某些核素如氙135和钐149具有相当大的热中子吸收截面，将消耗堆内很多中子，成为核毒物，影响停堆后的重起和功率分布,36,铀235每次裂变释放的总能量约为200MeV分布如下图所示。,裂变释

14、放的能量,37,铀同位素的裂变截面随中子能量的变化,中子的裂变截面,E0.1 MeV 高能区 裂变截面小 E 1 MeV 的中子才能使238裂变，最终成为钚-239，是核燃料增殖的基础,38,铀235的热中子裂变截面远大于快中子裂变截面，裂变产生的快中子要在慢化后才能更好地引起核燃料的核裂变。可以有效的减小系统临界质量。,中子的慢化过程与辐射俘获,慢化剂的选择： 有效的慢化中子，尽量少的吸收中子；液态或固态 慢化比：慢化能力对于吸收截面的比值,39,1 个中子,如刚好1个，稳定运行的 核反应堆 如果不断飞速增加，不加控制原子弹,自持链式反应的条件,中子增殖因数k：系统中某一代中子数对于上一代中子数之比。 临界质量：为实现自持链式反应k=1，所需要的最小的核燃料质量。增加核燃料的质量(系统尺寸)总是有利于维持链式反应，泄露出去的中子与系统表面积即系统尺寸成二次方关系，产生的中子数同系统体积即系统尺寸成三次方关系。 临界质或临界尺寸与系统的物质组成和几何形状有关：单纯天然铀不能临界(CANDU:重水慢化反射)；球形系统具有最小的临界状态(原子弹两个半球),40,核燃料，一次核燃料，二次再生核燃料，易裂变核素，可转换核素，天然铀，富集铀，链式反应，裂变产物（碎片） 铀-233，铀-235，铀-238，钍-