第4章-核能教学课件

1、第4章 核能,第一节 核能概述 第二节 核电技术 第三节 核供热 第四节 核废物处理与核安全,4.1 核能概述,原子核能是原子核结构发生变化时释放出的能量，习惯上称作核能或原子能。 原子核的变化过程有两种：一种是自发的变化过程，叫放射性衰变。地球上由放射性衰变释放的原子核能在地球内部可以转变为地热。另一种是人工制造的变化过程，叫核反应。,核反应是原子核与原子核或原子核与基本粒子相互作用时释放的能量的过程。核反应有两种： 一是核裂变反应，是重原子分裂成两个或多个较轻原子核的反应。如，原子弹爆炸。 二是核聚变反应，是轻原子核聚合成较重的原子核。如，氢弹爆炸。,原子由原子核和电子组成，原子核又是由质

2、子和中子组成。 核能是人类历史上的一项伟大发现，这离不开早期西方科学家的探索发现，他们为核能的应用奠定了基础。 19世纪末，英国物理学家汤姆逊首先发现电子； 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，由此，发现了质子； 1932年，英国物理学家查德威克发现中子。 1938年，德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核，首次发现了核裂变现象。 1919年，英国物理学家卢瑟福用粒子轰击氮原子核，首次实现了人工核反应。,人类认识和利用核能的历史,1905年，爱因斯坦提出相对论，即提出了质能转换公式。 爱因斯坦是核能理论的伟大奠基者。 放射性元素在释放射线后（肉眼看不到

3、的），会变成其他元素，原子的质量会有所减轻，损失的质量转变成巨大的能量，这就是核能的本质。,原子核蕴藏着巨大的能量，要想和平利用核能，必须建造核反应堆，并使核反应堆持续可控。 1942年，意大利的费米等在芝加哥帮助美国建成了世界上第一座核反应堆，首次实现自持链式反应； 1954年，苏联建成了世界上第一个核裂变能发电站，开创了人类大规模利用核能发电的先河； 至今，核能的和平利用已经有60年的历史。,1954年 苏联建成了世界上第一座核电站 奥布灵斯克核电站,核燃料（nuclear fuel），可在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料。 233U、 235U和239Pu是都是很好的可裂变

4、材料。其中235U存在于自然界，但是含量却很少；而233U 和239Pu则是232Th和238U吸收中子后分别形成的人工核素。,核能应用的基础,已经大量建造的核反应堆使用的是裂变核燃料235U和239Pu ，很少使用233U 。由于至今还未有建成使用聚变核燃料的反应堆，因此通常说到核燃料时指的是裂变核燃料。,减速剂 裂变反应产生的中子速度快，可达2107m/s，这样快的中子引起裂变的概率很小，如果速度降为2.2103m/s ，它在铀核附近停留的时间加长，容易击中铀核，使铀发生裂变。这时的中子被称为热中子。 通常降低中子速度的方法是使用减速剂，即中子与减速剂的原子核发生碰撞而使速度降低，选择减速

5、剂的条件是既不吸收中子也不与中子发生核反应，可以是重水、石墨或者轻水（即纯度很高的普通水）。,增殖系数在某一时间间隔内所产生的中子总数与在同一时间间隔内由吸收和泄漏所损失的中子总数的比值，通常用K表示。 为了维持链式反应自持地进行，使裂变能量源源不断地释放出来，必须严格控制中子的增殖速度，使K=1。 如果K1，参与核裂变反应的原子数目急剧增加，反应激烈进行，大量的能量瞬间释放，可能引起核爆炸，此时的反应称之为超临界状态。,控制棒为了控制链式反应的速率在一个预定的水平上，需用使用吸收中子的材料做成吸收棒，称之为控制棒。 控制棒是由硼和镉等易于吸收中子的材料制成的。核反应压力容器外有一套机械装置可

6、以操纵控制棒。控制棒完全插入反应中心时，能够吸收大量中子，以阻止裂变链式反应的进行。如果把控制棒拔出一点，反应堆就开始运转，链式反应的速度达到一定的稳定值；如果想增加反应堆释放的能量，只需将控制棒再抽出一点，这样被吸收的中子减少，有更多的中子参与裂变反应。要停止链式反应的进行，将控制棒完全插入核反应中心吸收掉大部分中子即可。 镉棒插在反应堆堆芯中上下移动，通过改变镉棒插在堆芯中的深浅度，就可以人为地控制中子的增殖速度。,核能核裂变能 + 核聚变能 核裂变能：是一种经济、清洁、安全能源。目前民用领域主要是核能发电。同火力发电相比，核裂变能发电有以下优势： （1）核电比火电安全 从原始的石墨水冷反

7、应堆，发展到以普通水、重水、沸水为慢化剂的轻水堆、重水堆、沸水堆，安全性能大大提高。核电能的事故远远低于火电。 自核电投入使用以来，仅有三次较为严重的事故。,核能的优势,切尔诺贝利核电站事故,切尔诺贝利核电站事故于1986年4月29日，该电站第4发电机组爆炸，核反应堆全部炸毁，大量放射性物质泄漏，成为核电时代以来最大的事故。 辐射危害严重，导致事故前后3个月内有31人死亡，之后15年内有68万人死亡，13.4万人遭受各种程度的辐射疾病折磨，方圆30公里地区的11.5万多民众被迫疏散。,第4发电机组爆炸,在切尔诺贝利附近被遗弃的村庄,三里岛核电站事故,1979年3月28日凌晨4时位于美国宾夕法尼

8、亚州三里岛核电站发生了美国历史上最严重的核电站事故。 蒸汽发生器给水系统出现故障，汽轮发电机自动脱扣了，控制棒插入反应堆。虽然产生功率的裂变已经停止了，裂变产物衰变热仍放出大量余热，流过堆芯的冷却剂流量不足以冷却燃料棒，燃料棒受到某种程度的损坏，致使堆芯失水而熔化和放射性物质外逸，事故2小时后，大量放射性物质溢出。 事故发生后，全美震惊，核电站附近的居民惊恐不安，约20万人撤出这一地区。美国各大城市的群众和正在修建核电站的地区的居民纷纷举行集会示威，要求停建或关闭核电站。,福岛核电站事故,福岛核电站是世界上最大的核电站，由福岛一站、福岛二站组成，共10台机组（一站6台，二站4台），均为沸水堆。

9、 2013年10月9日，福岛第一核电站工作人员在污染水处理设施作业时，作业人员错将配管线拔出，因误操作导致约7吨污水泄漏。设备附近的6名工作人员遭到污水喷淋，受到辐射污染。 日本东京电力公司2013年11月20日宣布，将对福岛第一核电站第五和第六座核反应堆实施封堆作业。福岛第一核电站将完全退出历史舞台。,（2）核电比火电经济 1kg 235U的原子核所释放出来的热量，大约相当于2800吨标准煤燃烧时所放出的热量。 建造一座发电量为100万千瓦的电站，如果是核电站，每年需要补充的核燃料为30吨，六辆解放牌载重汽车就可运进。如果是烧煤的火力电站，每年要消耗300多万吨煤。运输这些煤炭，平均每天要开

10、三列火车，每列火车挂40节车皮；或是每天要开一艘万吨级的轮船。 美国十几年中100多座核电站使其减少原油进口30亿桶，仅此一项就减少开支1000多亿美元。可见核电的经济效益是明显的。,（3）核电比火电清洁且对环境污染小 化石燃料产生CO2（温室气体），SO2等有害气体 1998年全世界化石燃料向大气排放了61亿吨炭（CO2中的炭）。 在过去的100年中，全球平均气温上升了0.30.5，全球海平面平均上升了1025cm。如果不对温室气体减排，到2100年全球平均气温将升高13.5 。 我国2005年CO2排放量为15.13亿吨，世界第二。2005年SO2排放量为2549万吨，居世界第一（造成82

11、%的城市出现酸雨）。,据测算，全世界的核电站同燃煤电站相比，每年可为地球大气层减少1.5亿吨CO2、190万吨NOx和300万吨SOx 。 核电站不排放任何有害气体和其他金属废料，放射性物质对周围居民的影响也比煤电少。 核电最发达的国家法国 1980年，核电比例是20% 1986年，上升到70% 在此期间发电总量增加了40%，而排放的SO2减少了56%， NOx减少了9%，尘埃减少了36%。,核聚变能：是指较轻的原子在特殊的条件下，融合成较重的原子，同时释放出的能量。目前主要是指氢的两个同位素氘和氚，在高温高压下发生持续聚变反应，生成氦原子核，释放出巨大能量。 （1）原料氢、氘、氚来源广泛，在

12、地球上储量十分丰富； （2）原料成本低廉，如1kg氘的价格仅为1kg浓缩铀的1/40； （3）不产生放射性，是一种无污染的安全能源； （4）核聚变所释放出的能量比同重量的核裂变所释放的能量要大的多。如1kg的氘和氚混合进行核聚变反应所释放的能量是同重量的铀裂变反应时释放能量的5倍。相当于9000t汽油燃烧时的能量。,原子弹1945年，美国第一颗原子弹试验成功。标志着当今世界已进入核武器时代。,核能的用途,（1）核能在军事上的应用,（2）核能的民用 核能的民用，主要是指利用核能发电。 核能发电 ： 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。只是以核反应堆及蒸汽发生器

13、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。 国际原子能机构2011年1月公布的数据显示，全球正在运行的核电机组共442座，核电发电量约占全球发电总量的16%。,原理 核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料（核燃料）进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指235U 或239Pu 等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。这些中子又能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。,核电站组成和运行 核电站是利用原子核裂变反应放出的核能来发电的装置。核

14、电站主要由两部分组成。 一部分是反应装置及冷却装置，其核心为一个反应堆，是维持和控制核裂变反应的装置，在内部实现核能转换为为热能。释放出的热能由一回路系统冷却剂带出，用以产生蒸汽。整个闭路系统被称为核蒸汽供应系统，也叫核岛，相当于常规火电厂的锅炉系统。 另一部分由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回系统，与常规火电厂的汽轮机发电机系统基本相同，也称作常规岛。,核能发电示意图,核电站分为轻水堆（包括压水堆和沸水堆）核电站、石墨气冷堆核电站、重水堆核电站、增殖堆核电站几种。工业核电站一般分为轻水堆核电站、重水堆核电站和石墨气冷堆核电站三种，其功率达几十万千瓦、上百万千瓦。 目前，由欧洲14国联合出资

15、进行研制开发的新型核聚变装置已进入实验阶段。核聚变比核裂变产生的能量可高600倍。因此，科学家们认为，氘、氚受控核聚变试验成功，将对人类社会产生深远影响。,（3）核能的其他应用 核能供热以核裂变产生的能量为热源的城市集中供热方式。它是解决城市能源供应，减轻运输压力和消除烧煤造成的环境污染的一种新途径。 核供热堆，特别是低温供热堆运行时排放到环境中的放射性物质甚至比烧煤锅炉还少得多。从经济上看，核供热堆的初始投资高于烧煤锅炉，但燃料费较省，与同功率的烧煤锅炉相比，每年核燃料的运输量仅约为煤量的十万分之一，可以输出100左右的热水供城市应用。比烧油锅炉的燃料费低更多。,核供热不仅可用于居民冬季采暖

16、，也可用于工业供热。特别是高温气冷堆可以提供高温热源，能用于煤的气化、炼铁等耗热巨大的行业。 核供热的另一个潜在的大用途是海水淡化。在各种海水淡化方案中，采用核供热是经济性最好的一种。在中东、北非地区，由于缺乏淡水，海水淡化的需求是很大的。,核动力是利用可控核反应来获取能量，从而得到动力。 核能不需要空气助燃，可以作为地下、水中和太空缺乏空气环境下的特殊动力。同时，它少耗料、高能量，是一种一次装料后可以长时间供能的特殊动力。 可作火箭、宇宙飞船、人造卫星、潜艇等的特殊动力，将来核动力还可能会用于星际航行。 1997年，美国宇航局发射的“卡西尼”号核动力空间探测飞船，飞往土星，历时7年，行程长达

17、35亿公里。,“卡西尼”号,土星表面,核动力推进，目前主要用于核潜艇、核航空母舰和核破冰船。由于核能的能量密度大、只需要少量核燃料就能运行很长时间，在军事上有很大优越性。尤其是核裂变能的产生不需要氧气，故核潜艇可在水下长时间航行。 现在核航空母舰、核驱逐舰、核巡洋舰与核潜艇一起，已形成了一支强大的海上核力量。,自然界 存在的可裂变元素只有235U ，而它只占天然铀中的0.7%，其余均为238U 。 但是，在核电站中可将一部分238U转变为239Pu ；同样，也可以将自然界中大量存在的232Th转变为可裂变的233U 。 因此，估计核燃料资源时，必须考虑核燃料增殖这一因素。这样，核燃料的储藏量远

18、远超过化石燃料，能长期满足核能发电的需要。,核裂变能资源,1954年，苏联建成世界上第一座装机容量为 5MW的核电站奥布灵斯克核电站。 到1960年，全球建成20座核电站，装机容量1279MW。 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。 1978年全世界22个国家和地区正在运行的30MW以上的核电站反应堆已达200多座，总装机容量已达107776MW。 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32.75万MW，其发电量占全世界总发电量的约16%。,核能

19、的发展,奥布灵斯克核电站,1964年10月16日下午3时，中国在西部地区成功地爆炸了第一颗原子弹，继美国、苏联、英国、法国之后，成为世界第五个拥有核武装的国家。 1967年6月17日上午8时，中国在西部地区上空成功地爆炸了第一颗氢弹。氢弹的爆炸成功，是中国核武器发展的又一个飞跃。标志着中国核武器的发展进入了一个新阶段。 我国的核电起步较晚，80年代才动工兴建核电站。中国自行设计建造的30万kW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。,我国的核能发展,我国第一颗原子弹爆炸成功,我国第一颗氢弹爆炸成功,秦山核电站,大亚湾核电站,大亚湾核电站,英国

20、英国核工业有近50年的历史，拥有世界上第一座商用核电站。英国第一座核电站建于坎布里亚郡，于1953年兴建，1956年开始向国家电网送电，是世界上第一座商用核电站。英国政府技术战略委员会(TSB)于2010年提供了200万英镑的资金，用于在核能研发及应用领域的20项可行性研究，旨在促进创新和加强供应链建设。,国际的核能发展,法国 1956年，法国第一台40MW可用于发电的反应堆G1在马尔库尔投产。其他两台反应堆G2和G3也先后于1959年和1960年投入运行。在此基础上，原委会开发了天然铀石墨气冷反应堆技术，并将其确定为法国早期核电站建设的技术路线。 日本 日本从20世纪50年代初期就着手核电的

21、开发研究和设备制造的准备工作。于1956年成立日本原子能研究所，1961年组建成日本原子能发电公司，并于1961年3月开始兴建东海核电站。至1966年7月核电站建成投入运行，开创了日本核电生产的新纪元。,国际的核能发展,1、热堆向快堆发展。 2、由一次通过燃料循环向闭合燃料循环发展。 3、由有限规模核能向大规模核能工业发展。,核能技术今后发展的战略方向,4.2 核电技术,核电技术是利用核裂变或核聚变反应所释放的能量发电的技术。因为受控核聚变存在技术障碍，目前核电站都是采用核裂变技术。 第一代核电技术 第一代核电技术即早期原型反应堆，主要目的是为通过试验示范形式来验证核电在工程实施上的可行性。

22、第二代核电技术 第二代核电技术是在第一代核电技术的基础上建成的，它实现了商业化、标准化等，包括压水堆、沸水堆和重水堆等，单机组的功率水平在第一代核电技术基础上大幅提高，达到千兆瓦级。,第三代核电技术 第三代核电技术指满足美国“先进轻水堆型用户要求”和“欧洲用户对轻水堆型核电站的要求”的压水堆型技术核电机组，是具有更高安全性、更高功率的新一代先进核电站。 第四代核电技术 第四代核电是由美国能源部发起，并联合法国、英国、日本等国家共同研究的下一代核电技术。仍处于开发阶段，预计可在2030年左右投入应用。第四代核能系统将满足安全、经济、可持续发展等基本要求。,当235U的原子核受到外来中子轰击时，一

23、个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核，同时放出23个中子。这裂变产生的中子又去轰击另外的235U原子核，引起新的裂变。如此持续进行就是裂变的链式反应。链式反应产生大量热能。 用循环水（或其他物质）带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸气，推动汽轮机发电。由此可知，核反应堆最基本的组成是裂变原子核+载热体。,核反应堆的原理与结构,但是只有这两项是不能工作的。因为， 高速中子会大量飞散，这就需要使中子慢化增加与原子核碰撞的机会； 核反应堆要依人的意愿决定工作状态，这就要有控制设施； 铀及裂变产物都有强放射性，会对人造成伤害，因此必须有可靠的防护措施； 核反应堆发生

24、事故时，要防止各种事故工况下辐射泄漏，所以反应堆还需要各种安全系统。,核反应堆的合理结构是： 核燃料 + 慢化剂 + 热载体 + 控制设施 + 防护装置,轻水反应堆（Light Water Reactor，LWR）是以水和汽水混合物作为冷却剂和慢化剂的反应堆，是和平利用核能的一种方式。轻水堆就堆内载出核裂变热能的方式可分为压水堆和沸水堆两种，是目前国际上多数核电站所采用的两种堆型。 水是使核反应堆中产生的中子减速的最好材料之一。 据统计，1992年运行的413座核电站中，轻水堆核电站约占64.15%，装机容量约占80%。,轻水堆,压水反应堆（Pressurized Water Reactor，

25、PWR）是美国贝蒂斯原子能实验室（Bettis Atomic Power Laboratory）开发成功的一种轻水核反应堆。,压水堆,压水反应堆利用轻水（普通水H2O）作为冷却剂和中子慢化剂。 其冷却系统由两个循环回路组成。 一回路连接着堆芯和二回路中的蒸汽发生器，回路内压强保持在150个大气压左右，在此压强下可将冷却水加热至约343而不沸腾。 冷却水在二回路蒸汽发生器的传热管中将压强约为70个大气压左右的二回路水加热至沸腾（温度约260），形成的水蒸气再通过二回路送至汽轮机，推动涡轮发动机运转。,在传热管中释放了热能的一回路水以290左右的温度回流至堆芯，完成一回路循环。从汽轮机流出的二回路

26、水经冷凝器凝结为液态水后，回流至蒸汽发生器，完成二回路循环。 中国目前已建成的秦山核电站一、二期工程、大亚湾核电站、田湾核电站、岭澳核电站均采用压水反应堆。 20世纪80年代，被公认为是技术最成熟，运行安全、经济实用的堆型。,沸水反应堆（Boiling Water Reactor，BWR）以轻水（普通水H2O）作为冷却剂和中子慢化剂，允许回路水在堆内发生一定程度的沸腾。反应堆冷却系统内压强保持在70个大气压。 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，用分离出的高温蒸汽来推动汽轮发电机组发电

27、。,沸水堆,沸水堆由压力容器、燃料元件、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、防止水滴进入汽轮机，造成汽轮机叶片损坏。,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。,沸水堆的控制棒从堆底引入，可以空出堆芯上方空间以安装汽水分离器。 但控制棒自堆底引入后就不能在控制动力源丧失后靠重力自动插进堆芯，因此沸水堆的控制棒驱动机构需非常可靠，通常都采用液压驱动，也有采用机械/液压或电气/液压驱动。在后两种设计中，

28、机械或电气驱动用于正常控制。快速紧急停堆则都用液压驱动，且每个机构或每两个机构配有一单独的蓄压器。,沸水堆与压水堆同属轻水堆，都有结构紧凑、安全可靠、建造费低、负荷跟随能力强等优点，其发电成本已可与常规火电厂竞争。 沸水堆系统比压水堆简单，特别是省去了蒸汽发生器这一压水堆的薄弱环节，减少了一大故障源。 沸水堆直接产生蒸汽，除了直接接触堆芯的高温蒸汽的放射性问题外，还有燃料棒破损时的气体和挥发性裂变产物都会直接污染汽轮机系统，故燃料棒的质量要求比压水堆的更高。 沸水堆控制棒自堆底引入，因此发生“未能应急停堆预计瞬态”的可能性比压水堆的大。,压水堆与沸水堆,在核电站的发展过程中，轻水堆是较早开发的

29、堆型。 1956年，美国建造了第一座压水堆核电站，1960年，美国的第一座示范型沸水堆核电站也投入运行。 随后的三十年里，这两种类型的核电站发展很快，单机最大功率均达到1300 MW。 压水堆核电厂因其结构紧凑、安全易控、技术成熟、造价和发电成本相对较低等特点，成为目前国际上最广泛采用的商用核电堆型，占轻水堆核电机组总数的3/4。我国核电站以及潜艇基本都采用了先进的压水堆核电机组。,用重水即氧化氘（D2O）作为慢化剂的核反应堆被称为重水反应堆。 重水的中子吸收截面小，慢化系数大，是非常优异的慢化剂。 重水堆核电站的核反应堆以重水作为慢化剂和冷却剂，由于重水慢化性能很好，中子利用率高，重水堆核电

30、站可直接利用天然铀作为燃料。燃料成本比压水堆约低1/2，但是作慢化剂和冷却剂的重水比较昂贵。,重水堆,重水的慢化性能好，吸收中子少，故能用天然铀作燃料，不需要建立昂贵的铀同位素分离厂或从国外进口浓缩铀。 重水堆转化率比例高，可以有效地利用天然铀。 从重水堆中卸出的燃料燃烧充分，核废料中235U含量低，不必急于进行后处理，故而费用大大降低。 在各种热堆中，重水堆所需要天然铀量少，且需要的初装料和年换料量也最小。 重水堆的燃料成本比轻水堆要低约1/2。 重水堆容量因子高，省去了轻水堆每年一次的停堆换料时间。,重水堆的优点,重水的生产成本昂贵； 对重水的同位素纯度要求较高，纯度需大于99.7%； 对

31、重水的回收要求高； 基建和运行费用较高。,重水堆的缺点,全世界拥有重水堆核电机组最多的国家是加拿大。 2002年，我国首座重水堆核电站秦山三期（重水堆）核电站一号机组在浙江海盐首次成功并网发电，正式向华东电网输送清洁、安全的电能。 秦山三期（重水堆）核电站是国家“九五”重点工程，也是中国和加拿大合作的贸易项目。该工程采用加拿大成熟的重水堆核电技术，总装机容量为两座728MW，设计寿命为40年。,目前全世界正在运行的400多个核电机组中，绝大多数是压水堆，只有43个是重水堆。 全世界拥有重水堆核电机组最多的国家是加拿大，韩国、阿根廷、印度、罗马尼亚和我国（包括台湾省）也有少量重水堆核电机组。,高

32、温气冷堆,高温气冷堆是一种技术先进、安全性好、用途广泛、有发展前景的核反应堆。高温气冷堆用氦气作冷却剂，石墨作慢化材料。 以堆芯燃料结构形式的不同，主要分为棱柱状燃料元件高温堆和球形燃料元件高温堆。 2种结构形式的反应堆均采用全陶瓷包覆颗粒燃料元件，全陶瓷堆芯结构设计，能提供700950的高温氦气。,全陶瓷包覆颗粒燃料元件可在 1600高温下仍能保持良好的性能，即使丧失任何冷却，堆芯也不会出现超温，燃料也不会烧毁，可以说是一种无堆芯熔化可能性的反应堆，在任何情况下都不会对周围的公众造成危害。,（1） 非能动的安全性 高温气冷堆是国际核能界公认的一种具有良好安全特性的堆型。性能优异的包覆颗粒燃料

33、是获得其良好安全性的基础。模块化高温气冷堆的堆芯剩余发热利用“固有安全”的先进概念，排除事故下堆芯熔化的可能性。,（2） 系统大为简化 由于球床高温气冷堆采用球形燃料，可以采用重力流动和气力输送的方式实现运行状态下的连续装卸料。 在运行条件下，氦冷却剂仅以气相存在，不会发生相变。通过压缩机对一回路内氦存量进行吞吐，即可对一回路的压力进行调节。,高温气冷堆在极端事故即冷却剂完全流失、主传热系统功能丧失的条件下，仍能保证堆芯燃料的最高温度低于1600的设计限值，从而基本上排除堆芯熔化的可能性，使专设安全系统大为简化。在高温气冷堆中，没有压水堆核电厂中的应急给水系统和安全注入系统。 在正常运行工况下

34、一回路冷却剂的放射性水平很低，在发生失压事故时，即使一回路冷却剂全部释放到周围环境中，对环境造成的影响也是很小的。因此，在模块式高温气冷堆的设计中不设置安全壳，而采用“包容体”的设计概念。,（3） 发电效率高 高温气冷堆的氦冷却剂出口温度可以高达950，可以充分利用其高温氦气的潜力，获得更高的发电效率。 在运行条件下，氦冷却剂仅以气相存在，不会发生相变。通过压缩机对一回路内氦存量进行吞吐，即可对一回路的压力进行调节。,目前考虑了两种的热力循环方式： 蒸汽循环方式 由氦冷却剂载出的核能经过直流蒸发器加热二次侧的水，产生530的高温过热蒸汽，推动汽轮机发电，其发电效率可达到40%左右。 氦循环方式

35、 由反应堆出口的氦气直接推动氦气轮机发电。其发电效率可达到48%左右。,（4）连续装卸燃料 模块式高温气冷堆采用球形燃料元件并采用连续装卸料的方式，这样可以减少定期更换燃料停堆的时间，提高运行的可利用因子。 （5） 模块化建造 采用模块化建造，建造周期可缩短到23年，增强了其对市场变化的灵活反应能力，而且减少了建造期的利息，有利于降低建造成本。,我国首座、世界第七座高温气冷实验堆在2000年12月21日达到临界。该实验堆热功率为10MW，采用全陶瓷包覆颗粒燃料元件，用惰性气体氦气作冷却剂，具有阻止放射性外漏的多重屏障与非能动的余热扫出系统。 这一实验堆由清华大学核能技术研究设计院研究完成，已于

36、2003年1月实现满功率运行并网发电，被认为代表了当前高温气冷堆的最新成就。,南非国营电力公司开发的球床模式高温气冷堆被专家公认为最有希望满足新一代核能系统要求的堆型，与我国的高温气冷实验堆的原理相似。 单机热功率为265 MW，输出电功率是110 MW，热效率可达4250%。 使用球状燃料，采用情性氦气作冷却剂。事故状态下，堆芯热量的导出采用非能动方式，排除了堆芯熔化事故，安全性好。 采用低浓铀燃料，符合核不扩散政策。,高温气冷堆安全性好、发电效率高、系统简单，是现有各类反应堆中工作温度最高的堆型，是唯一能提供高温核工艺热的多用途能源。 它除了能发电外，还可通过热电联供广泛应用于稠油热采、石

37、油化工、煤的气化液化等需要大量高温工艺热的部门。还可以用于城市供暖和海水淡化，特别是还可以用来作为制氢的热源，是未来氢时代最具前景的能源提供者，有着良好的应用前景。,快中子反应堆,快堆以239Pu为堆芯，以238U为增殖原料，包围在堆芯周围形成增殖区。 没有慢化剂，只有冷却剂（钠或氦），直接依靠快中子来轰击238U ，发生两次衰变后，变成239Pu新核素，新核素继续裂变，并放出比235U高出3040倍的能量，故称快中子增殖反应堆。 目前的快堆多使用液态钠做冷却剂，所以又称钠快冷堆。,快堆的核燃料利用率可高达6070%。 由于快中子堆中无慢化剂，冷却剂和结构材料也很少，堆芯较热中子堆小得多，因此

38、对传热要求很高。 但是，快堆至今仍有许多技术难题没有解决，离商业化还有一段距离。,由于钠是化学性质极活泼的金属，当管道或设备破损发生钠的泄漏时，泄漏的钠与空气接触发生燃烧形成钠火，可使安全壳升温升压。 当蒸汽发生器发生漏水时，水与钠接触将发生强烈的化学反应产生氢氧化钠和氢，随之产生大量的热，氢和氧的结合又增加了反应能。 为了改善钠冷快堆的安全性，寻求具有快堆安全性的液态金属替代物，是国际上快堆发展的一种设想。 第四代核能系统国际论坛提出了气冷快堆（GFR）和铅冷快堆（LFR）的概念,核聚变,核聚变，即轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）时放出巨大能量。,伴随着这一反应放出17.6M

39、eV的巨大能量。当放出的能量大于输入的能量，并足以加热下一次添加的氘氚并继续进行核聚变反应时，这种条件称为可控核聚变的“点火”条件。,实现核聚变的“点火”有三大难题要解决： 如何把等离子体加热到108以上； 如何使等离子体不与装它的容器相碰，否则等离子体会降温，容器会被烧毁； 防止杂质混入等离子体。,核聚变反应堆是一种满足核聚变条件从而利用其能量的装置。从目前看实现核聚变有2种方法： 一种是使用托卡马克装置实现，托卡马克是一种环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，实现对聚变反应的控制； 另一种方式是通过高能激光的方式实现。,（1） 磁约束 磁约束就是用一定强度和几何形

40、状磁场将带电粒子约束在一定的空间范围内。 托卡马克装置沿环形磁场通电流，加以与之垂直的磁场，使高温等离子体在环形磁场约束下，不与器壁接触而作螺旋运动，并被加热、压缩成细柱状，使之按人们的需要进行核聚变反应。 人们在托卡马克装置上取得了令人鼓舞的进展：等离子体温度已达4.4108。,托卡马克装置存在的问题,托卡马克装置结构复杂，造价昂贵，由于有复杂的各种磁路系统，以及苛刻的工作条件，托卡马克装置结构庞大，成本极高。 由于在强磁场中高温等离子体表现出各种宏观和微观不稳定性，如何实现稳态运行仍然是托卡马克装置面临的最大难题。 由于托卡马克是一个封闭性的装置，如何实现反应堆从加料到加热、反应、传热、除

41、灰的连续运行也是一个极大的困难。,惯性约束,惯性约束核聚变是利用高功率激光束（或粒子束）均匀辐照氘氚等热核燃料组成的微型靶丸，在极短的时间里，靶丸表面在高功率激光的辐照下会发生电离而形成包围靶芯的高温等离子体。 等离子体膨胀向外爆炸的反作用力会产生极大压力，这个压力大约相当于地球上的大气压力的十亿倍。在这么巨大的压力的作用下，氘氚等离子体被压缩到极高的密度和极高的温度（相当于恒星内部的条件），引起氘氚燃料的核聚变反应。,ICF的特点是短脉冲（约束时间仅10-9 s）间断运行的，堆芯为高温高密度等离子体（达到点火条件时，温度为108 K，等离子体的粒子数密度大于1032/m3，在这瞬时，等离子体

42、中的压强高达1012 atm）。由于驱动源和聚变堆在空间上是相互分离的，因此ICF聚变堆将比MCF聚变堆简单得多。 制约ICF实现聚变点火的主要困难一是激光能量转化为等离子体能量的效率太低（低于5%）。,由核聚变的原理可知，实现核聚变的条件十分苛刻。目前人类实现的第一代可控核聚变的燃料只限于用氘和氚。 氘在自然界中的含量极其丰富，海水里的氘占0.015%，地球上海水有1.37109km3，所以氘的总储量为21016t，加工235U的成本为12000美元/kg，而氘的加工成本仅为300美元/kg 。所以可利用的核聚变原料氘几乎是取之不尽，用之不竭的。 这些氘通过核聚变释放的能量可供人类在很高的消

43、费水平下使用50亿年。,核聚变能资源,核聚变的另一种主要原料为氚，在自然界中实际上是不存在的，但是它可以在普通反应堆中通过用中子照射锂而得到，或者在将来的热核反应中生产出来。,用现代技术在全世界可以提取锂1000万吨，我国西藏地区具有世界上最丰富的锂资源，海洋中可以提取2000亿吨锂，所以地球上的锂储量足以保障人类对核聚变能源的应用。,其它热核反应：,它是碳燃烧反应的10.8106倍。这一反应的基础是原苏联和美国对宇宙考查后发现月球表面的土壤中含有大量的 32He。 按现代技术从月球上开采所耗费的能量仅占在核聚变装置中放出能量的0.25%，如果以此为原料来保证美国的电力供应，每年只需宇宙飞船往

44、返12次。月球上的储量至少为106t，约相当于21013 t标准煤的能量。,热核聚变不但资源无限易于获得，其安全性也是核裂变反应堆无法与之相比的。 热核反应如果在事故状态释能增加时，等离子体与放电室壁的相互作用强度则增加，由此进入等离子体的杂质也增加，这样就会导致等离子体的温度下降使释能速度防慢以致停止核聚变反应。,核聚变安全性,全球自20世纪50年代以来，有40多个国家建造了几百个核聚变实验装置； 从1985年第一代核聚变反应堆实现几万千瓦电力输出以来，至20世纪90年代核聚变的研究取得很大进展； 1991年，英国使用氘（84%）、氚（14%）等混合物为原料，采用等离子体方法，第一次进行受控

45、核聚变； 我国1984年正式建成受控核聚变装置中国环流1号，使我国成为继美国等一些国家和地区之后，研究中型受控核聚变试验装置的唯一发展中国家。,核聚变研究历史,聚变裂变两用装置,热核聚变反应与核裂变反应的最大不同是核聚变不需要中子实现核反应，而核裂变反应则离不开中子。 但在核聚变反应堆中，发生反应虽然不需要中子，但其反应却放出中子，按参与反应物的质量计算，其放出的中子数是裂变堆的25倍，中子携能量为14.1 MeV。 裂变聚变装置就是充分兼用了这些中子，这一装置既生产能量又生产裂变核燃料。在装置中氘氚反应的等离子室被含有238U（或232Tu）转换层包围着。,4.3 核供热,城市供热系统是利用

46、集中热源，通过供热管网等设施向热能用户供应生产或生活用热的供热方式。 我国城市供热热源的型式有热电厂、集中锅炉房、分散锅炉房、工业余热、核能、地热、太阳能、热泵等。 集中供热系统广泛应用的热源主要是热电厂和集中锅炉房。但是普遍存在效率低下，浪费一次常规能源（煤、石油等），污染严重的问题。,核能供热是以核裂变产生的能量为热源的城市集中供热方式。它是解决城市能源供应，减轻运输压力和消除烧煤造成的环境污染的一种新途径。,若以热功率为200MW的核供热堆替代同等规模的燃煤锅炉房，每年可减少25万吨煤炭运输量，每年可少排入环境,CO238.5万吨， SO20.6万吨， NOx0.16万吨 烟尘0.5万吨

47、 灰渣5万吨,若替代同等规模的燃油锅炉房，每年可减少10万吨燃油运输量，每年可少排入环境 即使是排入环境的放射性物质，核供热堆也不到燃煤锅炉房的1/30。,SO21800吨， NOx619吨，灰渣49.2吨,推广应用核供热技术对减排温室气体和改善环境是十分有益的。低温核供热堆在瑞典、俄罗斯等供热事业发达国家已经广泛应用并取得良好的经济和社会效益。 低温核供热堆主要有深水池供热反应堆和承压壳式供热堆两种，通常核供热堆由三部分组成 产生热量的核反应堆和主交换器，带有放射性的水在这一部分循环，组成一回路，取消泵，采用自然循环，堆芯和主交换器成为一体。 确保带放射性的一回路水不和热网水直接接触的中间回

48、路，包括热网热交换器和泵。 进入居民区的普通热网。,常压深水池供热反应堆,深水池供热反应堆，将反应堆堆芯放置在一个大而深的水池中，由于水的静压力，允许在不出现沸腾的条件下，提高供水温度，满足集中供热系统的需要。又由于反应堆被大量的水包围着，平均水温不超过100，反应堆可以在常压下工作，从而不会发生“失压”事故，有良好的安全性能。 深水池供热堆不使用压力容器，因而结构简单，材料便宜，制造容易，造价较低，工程现实性较好，供热运行可靠性高，具有推广应用价值。,静水压力提高沸点 由于低温供热要求堆芯出口水温稍高于100，利用水层加压可以有效地提高饱和温度。当堆芯以上有10m水深时，水的饱和温度可提高2

49、0，即沸点可由常压下的100提高到120，利用这一特点，可以将冷却堆的水温提高到100以上，而堆芯内不会出现沸腾。,自然循环能力增强反应堆 冷却水的自然循环是保证反应堆安全的重要手段； 大的水容积是安全的需要 水池加深扩大了池水容积，这也正是大型商用供热堆安全上的需要。使得反应堆在发生事故时进展缓慢，允许有足够长的时间去采取纠正措施。,常压安全反应堆 堆芯不放在密闭的加压容器内还有一个好处，就是在出现异常的情况下，例如，在失去外电源，失去水流冷却条件，温度升高时，不会导致压力升高，不存在超压的危险。这是深水池常压反应堆有别于其他密闭加压反应堆具有的特殊安全性能。 造价低、可靠性高 深水池是由深

50、埋地下的钢筋混凝土制成，与钢制压力容器相比，它的可靠性高、坚固、耐久、成本低廉。水池表面不加压，没有密封要求，省去了很多压力系统和设备，大大降低了反应堆造价。,核供热的经济性是问题的关键。深水池供热堆堆型简单，技术和设备成熟，所以建造费用很低。 1座200MW深水池供热堆大约需要投资1.8亿元，仅相当于加压供热堆的1/3左右。与燃煤锅炉相比，达到同样规模，大约需要7台大型锅炉，其投资合计约为1.1亿元。核供热堆比锅炉房的投资高一些，但核供热堆的使用寿命为锅炉的23倍。 在200MW的规模下，已经可以和国内锅炉的造价相比。深水池供热堆的燃料利用率已有所提高，可以使供热成本降低。,核供热堆的其他用

51、途,（1）降温空调 以核供热堆作为热源，为溴化锂制冷机提供低压蒸汽，可以生产7的冷冻水供大面积降温空调。 （2）海水淡化技术 淡水资源短缺问题已日益引起世人的关注。因此核能海水淡化技术受到重视。国际原子能机构已将我国开发的核供热堆列为核能海水淡化的优选堆型之一。,4.4 核废物处理与核安全,核废物是指含有、和辐射的不稳定元素并伴随有热产生的无用材料。 核废物进入环境后会造成水、大气、土壤的污染，并通过各种途径进入人体，当放射性辐射超过一定水平，就能杀死生物体的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引起细胞内遗传信息的突变。,研究表明，母亲在怀孕初期腹部受过X光照射，她们生下的孩子与母亲不受X光照射的孩子相比，死于白血病的概率要大50%。 受放射性污染的人在数年或数十年后，可能出现癌症、白内障、失明、生长迟缓、生育力降低等远期效应，还可能出现胎儿畸形、流产、死产等遗传效应。,核废物主要产生于核工业厂矿和核电站。 核废物以固态、液态和气态的形式存在，其物理和化学特性、放射性浓度和毒性差别很大。 核废物与其他有毒有害物质有两大不同： 核废物中放射性的危害作用不能通过化学、物理或