【电气工程及其自动化】核能发电技术及前景探究

本科生毕业论文（设计）核能发电技术及前景探究二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月24日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111课题背景112核电发展历程113研究内容114研究意义22核能发电的基础知识221核能的释放及开发价值2211核能的释放2212核能开发的价值222核电站的构成及分类3221核电站的构成3222核电站的分类323本章小结43核能发电原理及核电站电气主接线分析431核能发电原理分析432核电站电气主接线分析533本章小结64核能发电关键技术的研究741核电技术概况742AP1000核电技术研究8421工作原理8422核心技术8423主要特点843CPR1000核电技术研究9431技术基础9432技术特点9433技术应用944本章小结105全球核电现状及前景探究1051全球核电现状分析10511核电关闭10512核电发展1052核电前景探究1153本章小结116总结11参考文献12附录13附录A压水堆核电站的结构图13附录B沸水堆核电站的结构图14致谢核能发电技术及前景探究摘要本文介绍了核能的开发价值和核电站的构成及分类，阐述核能发电原理及核电站电气主接线系统，接着研究核能发电的关键技术，最后分析了全球核电的现状，并探究了核能发电的发展前景。关键词核电技术；核能发电；核电前景NUCLEARPOWERGENERATIONTECHNOLOGYANDPROSPECTSFOREXPLORATIONABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESTHEDEVELOPMENTOFNUCLEARENERGYVALUEANDTHEPLANTCOMPOSITIONANDCLASSIFICATION,EXPLAINSPRINCIPLEOFNUCLEARPOWERANDNUCLEARPOWERPLANTELECTRICALWIRINGSYSTEM,THERESEARCHTHEKEYTECHNOLOGYOFNUCLEARPOWERFINALLYTHEPAPERANALYZESTHECURRENTSITUATIONOFTHEGLOBALNUCLEARPOWER,ANDEXPLORESTHEPROSPECTSOFTHEDEVELOPMENTOFNUCLEARPOWERKEYWORDSNUCLEARTECHNOLOGYNUCLEARPOWERPROSPECTSFORNUCLEARPOWER1绪论11课题背景核能发电是一种清洁、安全、技术成熟、供应能力强、能大规模应用的发电方式。国际核能的应用经历了对核电机组的从第一代到第三代不断改进的过程，目前，国际第四代核能利用系统研究提出了反应堆设计和核燃料循环方案的新概念。2011年日本地震核泄漏事件，导致人们对开发利用核能产生了疑问，甚至使核开发利用在一些国家已经停止，加上新世纪世界各国对核武器的开发利用野心勃勃,核能的利用也再次成为人们关注的焦点。12核电发展历程早在1896年，法国物理学家昂贝克勒尔发现了金属铀的天然放射性。1911年，英藉新西兰人厄卢瑟福提出了有核的原子结构模型。1939年，奥地利人费里什迈特纳用中子轰击重元素铀原子核，从而导致了重原子核裂变现象被发现。1942年，美籍物理学家恩利克费米在美国建成了世界上第一座“人工核反应堆”，首次实现了人类历史上铀核的可控链式裂变反应。1954年，原苏联在布洛欣采夫的领导下，建成了世界上第一座核电站，向工业电网并网发电，使和平利用原子能发电步入了一个飞速发展的新纪元。根据国际原子能机构2011年公布的最新数据全球运行的核电机组共442个，核电发电量约占全球发电总量的16，正在建设的核电机组65个，拥有核电机组最多的国家依次为美国104个、法国58个、日本54个、俄罗斯32个、韩国21个、印度20个、英国19个、加拿大18个、德国17个、乌克兰15个、中国13个1。13研究内容（1）查阅有关资料，完成核能发电技术相关知识的综述。（2）以典型的压水堆核电站为例，阐述核能发电的工作原理。（3）对核电站的电气主接线系统进行研究，并画出电气主接线系统图。（4）研究核能发电的关键技术AP1000核电技术和CPR1000核电技术。（5）最后分析全球核电的现状，并探究了核能发电的发展前景。14研究意义核电的发展给人类带来了诸多好处高效经济地解决能源危机、快速持续地带来经济效益、深入多元地扩展科技前景以及为人类社会持续发展提供动力。为此，本课题的研究对掌握核能发电原理与技术有较高的理论依据，对普及核能利用都具有十分重要的意义。2核能发电的基础知识21核能的释放及开发价值211核能的释放核能又称原子能，它是通过核反应从原子核释放的能量，符合爱因斯坦的质能方程EMC2，其中E为能量J；M为质量KG；C为真空中的光速30108M/S。由此方程可以看出，由于C2的数值很大，所以质量很小的物质可以转换成巨大的能量。例如，1G的物质能转换成25108MWH的电能或90MJ的热能。核能可通过三种核反应之一释放（1）核裂变。核裂变是一个较重的原子核分裂成几个原子核，并释放出能量的过程。原子弹、裂变核电站或核能发电厂的能量来源就是核裂变。其中铀裂变在核电厂最常见，热中子轰击铀235原子后会放出2到4个中子，中子再去撞击其它铀235原子，从而形成链式反应。（2）核聚变。核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。核聚变有三种方式来产生重力场约束、惯性约束和磁约束。太阳的能量来自它中心的热核聚变。由于产生可控核聚变需要的条件非常苛刻，目前所有商业核电站主要利用核裂变反应而发电。（3）核衰变。核衰变是原子核自发射出某种粒子变为另一种核，并释放出能量的过程。放射性核衰变的类型有衰变、衰变和衰变三种，分别放出射线、射线和射线2。212核能开发的价值核能有巨大威力。1公斤铀原子核全部裂变释放出来的能量，约等于2700吨标准煤燃烧时所放出的化学能。一座100万千瓦的核电站，每年只需25吨至30吨低浓度铀核燃料，运送这些核燃料只需10辆卡车；而相同功率的煤电站，每年则需要300多万吨原煤，运输这些煤炭，要1000列火车。核聚变反应释放的能量则更巨大。据测算1公斤煤只能使一列火车开动8米；一公斤裂变原料可使一列火车开动4万公里；而1公斤聚变原料可以使一列火车行驶40万公里，相当于地球到月球的距离。地球上蕴藏着数量可观的铀、钍等核裂变资源，如果把它们的裂变能充分利用，可以满足人类上千年的能源需求。据估计地球上总的水量约为138亿亿立方米，其中氘的储量约40万亿吨，地球上的锂储量有2000多亿吨，锂可用来制造聚变原料氚。按目前世界能源消费的水平，地球上可供原子核聚变的氘和氚能供人类使用上千亿年，更可贵的是核聚变反应中几乎不存在反射性污染，可以说聚变能称得上是未来的理想能源。因此，人类已把解决资源问题的希望，寄托在核能这个能源世界未来的巨人身上了。22核电站的构成及分类221核电站的构成核电站又称核电厂，它指用铀、钚等作核燃料，将它在核裂变反应中产生的能量转变为电能的发电厂。核电站主要由核岛、常规岛两大部分构成，核电站的结构图见附录A与附录B。（1）核岛是核电站安全壳内的核反应堆及与反应堆有关的各个系统的统称。核岛的主要功能是利用核裂变能产生蒸汽传给二回路系统。核岛包括反应堆装置和一回路系统。一回路系统的主要设备有反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器、主泵。（2）常规岛是指核电装置中汽轮发电机组及其电厂配套设施和它们所在厂房的总称。常规岛的主要功能是将核岛产生的蒸汽的热能转换成汽轮机的机械能，再通过发电机转变成电能。常规岛包括二回路系统、三回路循环冷却系统和电气系统及厂用设备。二回路系统由蒸汽系统、汽轮发电机组系统、蒸汽排放系统及辅助给水系统等组成，主要设备有汽轮机、发电机、冷凝器、水泵。三回路循环水系统主要作用是为核电站提供冷却水排出一回路和二回路的热量，确保一回路和二回路安全运行，并冷却二回路的蒸汽使得二回路成为一个循环系统。三回路系统主要设备水泵、管道及冷却塔。222核电站的分类核电站反应堆按照反应堆中采用的中子慢化剂和冷却剂工质的不同，可分成很多种类型。目前常用的可分为轻水反应堆、重水反应堆、石墨气冷堆和快中子增殖堆四大类3，详细分类见表21。表21核电站反应堆分类堆型燃料慢化剂冷却剂压水堆浓缩铀轻水轻水轻水反应堆沸水堆浓缩铀轻水轻水重水冷却堆天然铀重水重水重水反应堆轻水冷却堆天然铀、浓缩铀、钚重水轻水天然铀气冷堆天然铀石墨二氧化碳改进型气冷堆浓缩铀、钍石墨二氧化碳石墨气冷堆M高温气冷堆浓缩铀、钚石墨氦快中子增殖堆浓缩铀、钚无钠23本章小结本章主要介绍了核能发电的相关知识，详细讲述了核能释放的三种方式核裂变、核聚变和核衰变；核能的开发价值在于核能释放的能量巨大和核燃料充裕；核电站主要构成的三大部分核岛、常规岛和电厂配套设施；核电站反应堆的四大类轻水反应堆、重水反应堆、石墨气冷堆和不用慢化剂的中子增殖堆。通过阐述核能发电的相关知识，为以后章节内容的展开提供理论知识。3核能发电原理及核电站电气主接线分析31核能发电原理分析压水堆是目前比较广泛采用的核反应堆，我国大亚湾核电站、岭澳核电站、秦山第一核电站、秦山第二核电站、田湾核电站和阳江核电站均属这种堆型。压水堆核电站一般有三个回路一回路（反应堆装置）、二回路（汽轮发电机系统）和三回路（循环水系统）。核能发电的能量转化过程核能热能机械能电能，下面以压水堆核电站为例，分析核电站的发电原理。图31是压水堆核电站发电示意图，它的发电原理可分为四个步骤（1）主泵将高压冷却剂送入反应堆堆芯，冷却剂把核燃料裂变放出的热能带出反应堆，并进入蒸汽发生器。由于采用稳压器提高系统内的水压，一回路的水受热后不会沸腾。（2）带热能的高压水经蒸汽发生器内数以千计的传热管，将热能传到管外二回路系统的水内。二回路系统与一回路系统是完全分隔的。（3）二回路水随即受热沸腾，变成蒸汽，然后推动汽轮发电机组产生电力。（4）蒸汽自汽轮机排出，被三回路的海水冷却后，再循环至蒸汽发生器加热。图31压水堆核电站发电示意图32核电站电气主接线分析核电站的电气主接线主要有发电机和输配电系统。发电机和输配电系统的主要设备有发电机、励磁机、主变压器、备用电压器、高压开关站和柴油发电机组等。其主要作用是将核电站发出的电能向电网输送，同时保证核电站的内部设备的可靠供电。发电机的出线电压一般为22千伏左右，经变压器升至外网电压。为保证核电站安全运行，核电站至少与两条不同方向的独立电源相连接，以避免因雷击、地震、飓风或洪水等自然灾害可能造成的全厂断电。每台发电机组的引出母线上均接有厂用电压器，为厂用电设备提供高压电源。高压厂用电系统一般为6千伏左右，直接向核电站大功率动力设备供电。通常高压厂用电系统分为工作母线、备用母线和应急母线。工作母线由发电机供电，备用母线由外电网供电，应急母线由柴油发电机供电。汽轮机稳压器控制棒压力容器蒸汽发生器冷却器海水或冷却塔核燃料反应堆安全壳主泵水泵水泵变压器发电机冷凝器反应堆堆芯一回路二回路三回路在核电站正常运行时，发电机发出的电能大部分经主变压器升压至外网电压输送给用户。同时，整个厂用设备的配电系统由发电机的引出母线经厂用变压器降压后供电，当发电机停机时，则由外部电网经备用变压器向备用母线供电。当外网和发电机组都不能供电时，则由柴油发电机组向应急母线供电，以保证核电站设备的安全4。输配电系统的设计与机组容量、电网系统环境等密切相关，各核电站设计会有较大差异。图32所示为一般核电站电气主接线示意图。图32一般核电站电气主接线示意图33本章小结本章对核能发电原理及核电站电气主接线系统进行分析。阐述了核能发电的工作原理以及核能发电的能量转化过程核能热能机械能电能，同时画出核能发电示意图。分析核电站的电气主接线系统，讲述厂用电系统工作母线、备用母线和应急母线各自的作用，同时画出一般核电站的电气主接线系统图。MMMM应急柴油发电机应急柴油发电机1号机组2号机组1主变2主变工作母线1厂变备用母线1备变20KV外电网63KV63KV63KV63KV63KV63KV63KV63KV备用柴油发电机20KV应急运行母线应急运行母线正常运行母线正常可靠运行母线主泵2主泵1W1WL1WL2WL4至厂用电至厂用电WL3工作母线备用母线63KV正常运行母线4核能发电关键技术的研究41核电技术概况核能发电技术简称核电技术。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。纵观核电技术的发展历史，核电技术大致可以分四代5（1）第一代核电技术五、六十年代建造的验证性核电站称为第一代核电技术。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。前苏联在1954年建成5兆瓦实验性石墨沸水堆型核电站；英国1956年建成45兆瓦原型天然铀石墨气冷堆型核电站；美国1957年建成60兆瓦原型压水堆型核电站；法国1962年建成60兆瓦天然铀石墨气冷堆型核电站；加拿大1962年建成25兆瓦天然铀重水堆型核电站。这些核电站均属于第一代核电站。（2）第二代核电技术70、80年代标准化、系列化、批量建设的核电站称为第二代核电技术。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。在第二代核电技术高速发展期，美、苏、日和西欧各国均制定了庞大的核电规划。美国成批建造了500至1100兆瓦的压水堆、沸水堆，并出口其他国家；前苏联建造了1000兆瓦石墨堆和440兆瓦、1000兆瓦VVER型压水堆；日本和法国引进、消化了美国的压水堆、沸水堆技术，其核电发电量均增加了20多倍。美国三里岛核电站事故和前苏联切尔诺贝利核电站事故催生了第二代改进型核电站，其主要特点是增设了氢气控制系统、安全壳泄压装置等，安全性能得到显著提升。此前建设的所有核电站均为一代改进堆或二代堆，如日本福岛第一核电站的部分机组反应堆。我国运行的核电站大多为第二代改进型。（3）第三代核电技术90年代开发研究成熟的先进轻水堆核电站称为第三代核电技术。第三代核电技术指满足美国“先进轻水堆型用户要求”（URD）和“欧洲用户对轻水堆型核电站的要求”（EUR）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。第三代先进压水堆型核电站主要有ABWR、SYSTEM80、AP600、AP1000、EPR、ACR等技术类型，其中具有代表性的是美国的AP1000和法国的EPR。中国已引进AP1000和EPR技术，分别在浙江三门和山东海阳等地开工建造。（4）第四代核电技术20世纪末由美国能源部发起，并联合法国、英国、日本等9个国家共同研究的下一代核电技术称为第四代核电技术。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、极少的废物生成、燃料增殖的风险低、防止核扩散等基本要求。42AP1000核电技术研究421工作原理美国西屋公司在已开发的非能动先进压水堆AP600的基础上开发了AP1000核电技术。AP1000是一种先进的非能动型压水堆核电技术，用铀制成的核燃料在反应堆的设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方。采用这一原理的核电技术就是压水堆核电技术。422核心技术核岛筏基大体积混凝土一次性整体浇注技术、核岛钢制安全壳底封头成套技术、模块设计和制造技术、主管道制造技术、核岛主设备大型锻件制造技术。423主要特点AP1000核电技术的主要特点（1）AP1000最大的特点就是设计简练，易于操作，而且充分利用了诸多“非能动的安全体系”，比如重力理论、自然循环、聚合反应等，比传统的压水堆安全体系要简单有效得多。（2）进一步提高了核电站的安全性，同时也能显著降低核电机组建设以及长期运营的成本。（3）AP1000在建设过程中，可利用模块化技术，多头并进实施建设，极大地缩短了核电机组建设工期。AP1000从开工建设到加载原料开始发电，最快只需要36个月，建设成本方面的节约优势明显6。43CPR1000核电技术研究431技术基础CPR1000是中国广核集团推出的中国改进型百万千瓦级压水堆核电技术方案。它是在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，结合20多年来的渐进式改进和自主创新形成的“二代加”百万千瓦级压水堆核电技术。CPR1000技术源于法国引进的百万千瓦级M310堆型。法国百万千瓦级核电技术的原型是美国西屋公司的标准312堆型，并通过改进批量化建设成为标准化的CPY技术。为了提高法国核电的出口竞争力，法国法玛通公司在CPY的基础上形成了安全性和经济性较好的M310堆型。432技术特点（1）基于状态导向的事故处理规程（SOP）。该技术特点减轻操作人员负担，降低人因失误，且有利于处理多重事故以及与严重事故处理规程接口。（2）首炉18个月换料方案。该技术特点减少换料大修次数，降低大修成本、燃料循环成本、放射性废物的产生量、反应堆压力容器的中子流量和工作人员的受辐照剂量，提高电站的可利用率和年发生电量。（3）堆腔注水。该技术特点有利于防止或延迟压力容器熔穿，防止堆芯熔融物与混凝土反应，防止安全壳底板熔穿，抑制安全壳内氢的产生量，提高安全壳保持完整性的概率。（4）长寿命压力容器（设计寿命达60年）。该技术特点低泄漏设计，减少中子对压力容器的辐照，采用严格控制CU、P、S、NI含量材料的整体锻件，延长压力容器的使用寿命，并最终延长核电站的使用寿命。（5）可视化进度控制。该技术特点能直接在三维模型上显示施工进度的进展和状态，检验施工顺序和方案，展示进度和计划的差异，为施工计划的安排和优化提供支持和服务。（6）三维辅助设计。该技术特点可进行系统三维布置校验，检验接口是否自洽，也可进行三维空间布置校验，设置最佳路径，缩短大修工期7。433技术应用广东岭澳核电站、辽宁红沿河核电站、福建宁德核电站和广东阳江核电站等均采用CPR1000技术。采用CPR1000核电技术的同类型机组是目前国内安全可靠性、成熟性、经济性等各方面有一定竞争力的核电技术方案，综合技术安全经济指标达到目前国际同类核电厂的先进水平。44本章小结本章对核电技术的发展历程进行概况，阐述了四代核电技术各自的特点。重点研究了核能发电的关键技术AP1000核电技术和CPR1000核电技术，分析AP1000技术的工作原理、核心技术和主要特点；研究CPR1000核电技术的技术基础、技术特点和技术应用。学习本章内容，对掌握核能发电技术有较高的理论依据。5全球核电现状及前景探究51全球核电现状分析511核电关闭在2011年日本福岛核事故之后，德国宣布所有的核电站都将按计划在2022年全部停运，按照这一计划，德国将成为近25年来首个放弃核能发电的主要工业化国家。意大利和瑞士宣布将全面放弃核电，比利时决定在2015年关闭两座核电机组8。512核电发展在日本福岛核事故之后，来自国际原子能机构的预测称，全球有60多个国家计划发展核能，包括30个无核国家，全球的核能发电量在今后20年将会提高一倍。美国正式宣布新建新的核电站，政府担保业主80亿美元开始建设沃特电站，2台AP1000的核电机组。英国在最新的能源规划中全力支持发展核电，提出了雄心勃勃的核电建设计划，准备新建总装机达1600万千瓦的核电站，并决定要在2050年之内重新建设22座反应堆，以替代目前正在运行的20个反应堆。印度核电公司与美国西屋电气公司签署谅解备忘录，印度计划到2030年时将核电占总电量比例提高到13，到2050年时核电能力超越中美两国成为世界第一。中国在最新的国家能源核电报告中表示，采用国际最高安全标准，在确保安全的前提下，重启沿海核电工程。此外，韩国、孟加拉国、印度尼西亚、泰国、越南、菲律宾、阿联酋、马来西亚和缅甸等国也纷纷规划自己的核电项目9。尽管日本的核电事故对部分国家的核电政策产生了一定的影响，但从长远看来并没有影响大部分国家发展核电的热情。据国际能源称，核能发电量至2050年可能会没有影响大部分国家发展核电的热情。据国际能源称，核能发电量至2050年可能会占全球发电量的25。52核电前景探究日本福岛核事故再次引起人们对核电安全风险的关注，这将推动人类对新技术的不断探索，目的是使核能变得越来越安全、清洁、高效。核电经过近60年的发展，已经形成了一整套系统、完整的理论体系并积累了大量的运行经验。核裂变发电已在核电站中占据了重要地位，并彰显出核电站的巨大优越性。随着科学技术的进步，核电规模会愈来愈大，技术也会愈成熟。核能发电虽然道路艰难曲折，但前景光明，最具发展潜力。可以预见，核能终将可以替代传统的化石类能源，可满足人类长期对能源的需求，从而使我们有足够的时间去开发更为先进的能源，以保障社会经济的可持续发展。未来世界的能源结构将是先后以核裂变能、核聚变能为主角，辅以太阳能、风能、海洋能、地热能、水能和氢能等多元并存的洁净能源新格局10。53本章小结本章对全球核电现状进行分析，论述当今核电关闭和核电发展的相关信息，最后对核能发电的前景展开探究，展望了未来世界的能源结构将是先后以核裂变能、核聚变能为主角，辅以太阳能、风能、海洋能、地热能、水能和氢能等多元并存的洁净能源新格局。6总结通过本课题的研究，本人对核电的发电原理、电气主接线、结构及分类等有了更深一步的了解。在这次课题研究中，我查阅有关资料，完成核能发电技术相关知识的综述；以典型的压水堆核电站为例，阐述核能发电的工作原理；对核电站的电气系统进行研究，并画出电气主接线图；重点研究核能发电的关键技术AP1000核电技术和CPR1000核电技术；最后分析全球核电的现状，并探究了