核反应堆工程 绪论

1、核反应堆工程核反应堆工程 主讲教师：主讲教师： 胡胡 朝霞朝霞 环化楼环化楼117n教材：教材：q阎昌琪，曹欣荣阎昌琪，曹欣荣等编等编，核反应堆工程核反应堆工程，哈尔滨哈尔滨: 哈尔滨工哈尔滨工业大学出版社，业大学出版社， 2004n参考书籍参考书籍：q凌备备，杨延洲凌备备，杨延洲主编，主编，核反应堆工程原理核反应堆工程原理， 北京：原子北京：原子能出版社，能出版社， 1982q谢仲生谢仲生 编著，编著， 核反应堆物理核反应堆物理 分析分析，西安：西安交大出，西安：西安交大出版社，版社，2004q马进，王兵树，马永光马进，王兵树，马永光编著，编著，核能发电原理核能发电原理，北京：中，北京：中国

2、电力出版社，国电力出版社，2007q方杰方杰主编，主编，辐射防护导论辐射防护导论，北京：原子能出版社，北京：原子能出版社，1991q朱继洲朱继洲等编著，等编著，核反应堆安全分析核反应堆安全分析，西安：西安交大出，西安：西安交大出版社，版社，2000本课程的目的及要求本课程的目的及要求对与核反应堆有关的知对与核反应堆有关的知识及问题作全面的介识及问题作全面的介绍：绍：n了解核能发展的动向了解核能发展的动向 并掌握核反应堆的并掌握核反应堆的有关知识有关知识n探讨核反应堆的发展探讨核反应堆的发展趋势趋势n探索我国核能的发展探索我国核能的发展方向方向n熟熟：熟练掌握核反应：熟练掌握核反应堆物理、结构材

3、料、堆物理、结构材料、核热工及核安全的基核热工及核安全的基本专业知识本专业知识n新新：通过学习和阅读：通过学习和阅读了解核反应堆的最新了解核反应堆的最新发展发展n思思：对核反应堆的发：对核反应堆的发展有深入思索展有深入思索核科学技术范围核科学技术范围裂变堆技术裂变堆技术聚变堆技术聚变堆技术裂变堆工程技术裂变堆工程技术核聚变工程技术核聚变工程技术核反应堆结构核反应堆结构材料与工艺技术材料与工艺技术放射性三废放射性三废处理与处置技术处理与处置技术核反应堆热工核反应堆热工核燃料与工艺技术核燃料与工艺技术核反应堆控制技术核反应堆控制技术核安全核安全辐射防护技术辐射防护技术核反应堆工程核反应堆工程核反应

4、堆物理核反应堆物理乏燃料后处理技术乏燃料后处理技术裂变堆工程技术裂变堆工程技术核聚变工程技术核聚变工程技术核反应堆结构核反应堆结构材料与工艺技术材料与工艺技术核燃料与工艺技术核燃料与工艺技术核反应堆控制技术核反应堆控制技术核反应堆物理核反应堆物理乏燃料后处理技术乏燃料后处理技术课程内容提纲课程内容提纲n绪论绪论 （3学时）学时）n第一章第一章 核反应堆的核物理基础核反应堆的核物理基础 （8学时）学时）n第二章第二章 核反应堆结构与材料核反应堆结构与材料 （5学时）学时）n第三章第三章 核反应堆热工核反应堆热工 （5学时学时 ）n第四章第四章 核反应堆安全核反应堆安全 （8学时）学时）n第五章第

5、五章 新型核动力堆技术新型核动力堆技术 （3学时）学时）绪绪 论论什么是核能？什么是核能？关于核能关于核能你的联想是什么？你的联想是什么？核能核能无穷的能源无穷的能源核裂变反应核裂变反应核裂变能 如全部利用，能供如全部利用，能供使用使用2400-2800年年 所释放的能量比所释放的能量比 全世全世界界 现有能源总量放出现有能源总量放出的能量的能量 大大 千万倍千万倍 。如。如实现可控核聚变，能实现可控核聚变，能供供 使用上千亿年。使用上千亿年。核聚变反应核聚变反应核聚变能40万亿吨万亿吨 2000多亿吨多亿吨氘，氘，锂锂铀、钍矿铀、钍矿你的联想你的联想-福？祸？福？祸？n核电站提供核电站提供1

6、7 的清洁电能的清洁电能 n核安全问题核安全问题 q三哩岛三哩岛q切尔诺贝利核电事故切尔诺贝利核电事故n核废料处置核废料处置 n核动力与核武器核动力与核武器 ？q核潜艇，核动力航母核潜艇，核动力航母q日本广岛，长崎原子弹日本广岛，长崎原子弹q伊朗，朝鲜的核设施伊朗，朝鲜的核设施核电分布核电分布为什么核能发展存在争议？为什么核能发展存在争议？n化石能源化石能源- -习以为常习以为常q几百年，上百年历史，依赖性强几百年，上百年历史，依赖性强q对环境影响逐步显现（温水煮青蛙）对环境影响逐步显现（温水煮青蛙）n可再生能源可再生能源- -历史久远历史久远q能量密度小，分散能量密度小，分散q受经济性制约受

7、经济性制约n核能核能- -爱憎分明，毁誉参半爱憎分明，毁誉参半q历史短，能量大，潜在风险大历史短，能量大，潜在风险大q能量表现形式神秘，未知和不确定性大能量表现形式神秘，未知和不确定性大q生命周期长，影响久远生命周期长，影响久远核能是不可或缺的替代能源核能是不可或缺的替代能源n经济可持续发展的要求和全球变暖的环境压经济可持续发展的要求和全球变暖的环境压力为核能的发展开辟了新的机遇。力为核能的发展开辟了新的机遇。n核电：核电：当前最理想、最可行的非化石替代能当前最理想、最可行的非化石替代能源。源。n聚变能：聚变能：取之不尽，用之不竭的永久清洁能取之不尽，用之不竭的永久清洁能源。源。科学发现科学发

8、现-核裂变的实现核裂变的实现n1896年法国人（年法国人（H. Bequerrel)发发现现(铀铀)发射性发射性n1903年皮埃尔居里夫妇与他获诺贝尔年皮埃尔居里夫妇与他获诺贝尔物理奖物理奖(钋镭钋镭),1911居里夫人第二次获居里夫人第二次获奖奖(化学奖化学奖,放射性射线性质放射性射线性质)n1919年英国人年英国人(E. Rutherford)实实现人为核反应现人为核反应n(放射性放射性,原子结构的奠基人原子结构的奠基人,剑桥大学卡剑桥大学卡文迪什实验室主任文迪什实验室主任,1908年诺贝尔化学年诺贝尔化学奖奖)n1932年英国人年英国人(查德威克查德威克)发现中子发现中子n1935年获诺

9、贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖,剑桥大学卡剑桥大学卡文迪什实验室文迪什实验室n1938年德国人年德国人(哈恩等哈恩等)实现核裂变实现核裂变n获得获得1944年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖Henry Becquerel (1852-1908)贝克勒尔发现放射性的底片Ernest Rutherford (1871-1937)Sir James Chadwick (1891-1974)n1939年年(约里奥居里夫妇约里奥居里夫妇,费米费米)证证明铀核分裂过程放出明铀核分裂过程放出23个中子，个中子，确定了自持链式反应的可行性。确定了自持链式反应的可行性。q约里奥居里夫妇获得了约里奥居里夫妇获得了193

10、5年度的年度的诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖,(中子中子,正电子两次失去获正电子两次失去获奖机会奖机会); n费米费米,1938年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖,q用中子代替用中子代替粒子对周期表上的元素逐粒子对周期表上的元素逐一攻击直到铀，发现了一攻击直到铀，发现了中子引起的人中子引起的人工放射性工放射性，还观察了到，还观察了到中子慢化现象。中子慢化现象。n1942年年12月月2日日在芝加哥大学建成在芝加哥大学建成世界上世界上第一座可控原子核裂变链式第一座可控原子核裂变链式反应堆。反应堆。Maria Skodowska-Curie （1867-1934）Enrico Fermi(1901-19

11、54)Ernest Rutherford (1871-1937)Albert Einstein (1879-1955)Sir J.J. Thomson (1856-1940)Sir James Chadwirk (1891-1974)师生关系师生关系师生关系师生关系Niels Bohr1885-1962）师生关系师生关系钱三强钱三强（1913-1992）Irne Joliot-Curie （1897-1956）师生关系师生关系师生关系师生关系Enrico Fermi(1901-1954)核能的最初应用核武器核能的最初应用核武器n1939年二战爆发，美、英、德等国研究原子弹年二战爆发，美、英、德

12、等国研究原子弹n1942年年12月建成世界第一座核反应堆之后美国月建成世界第一座核反应堆之后美国建成三座石墨水冷生产堆。生产原子弹所需的钚。建成三座石墨水冷生产堆。生产原子弹所需的钚。同时用电磁分离法生产高富集铀。同时用电磁分离法生产高富集铀。n1945年美国制成三颗原子弹。一颗用于试验，年美国制成三颗原子弹。一颗用于试验，另两颗分别投落在日本的广岛和长崎。另两颗分别投落在日本的广岛和长崎。1952年年研制氢弹成功。研制氢弹成功。n苏、英、法分别于苏、英、法分别于1949、1952、1960年爆炸原年爆炸原子弹。后来爆炸了氢弹。子弹。后来爆炸了氢弹。n美国美国1955年建成世界上第一艘核潜艇，

13、苏联年建成世界上第一艘核潜艇，苏联1959年建成核潜艇。苏、美近年建成核潜艇。苏、美近500艘核潜艇艘核潜艇（700个反应堆）。个反应堆）。n美、俄、法拥有核动力航空母舰。为美国远美、俄、法拥有核动力航空母舰。为美国远程攻击的主力。压水堆动力。程攻击的主力。压水堆动力。n中国于中国于1964年年10月月16日，日，1967年年6月月17日成日成功地爆炸了原子弹和氢弹。功地爆炸了原子弹和氢弹。n中国于中国于1971年年9月建成第一艘核潜艇，继美、月建成第一艘核潜艇，继美、苏、英、法之后第五个有核艇国家。苏、英、法之后第五个有核艇国家。1988年年9月完成导弹核潜艇从水下发射弹道导弹的飞月完成导弹

14、核潜艇从水下发射弹道导弹的飞行试验。行试验。洛杉矶攻击核潜艇洛杉矶攻击核潜艇法国法国 戴高乐号核动力航空母舰戴高乐号核动力航空母舰中国汉中国汉D级最新核潜艇级最新核潜艇核电站核电站n火力发电站利用煤和石油发电，水力发电站火力发电站利用煤和石油发电，水力发电站利用水力发电，利用水力发电， 而核电站是利用原子核内部而核电站是利用原子核内部蕴藏的能量产生电能的新型发电站。蕴藏的能量产生电能的新型发电站。核电站核电站大体可分为两部分：一部分是利用核能生产大体可分为两部分：一部分是利用核能生产蒸汽的核岛、包括反应堆装置和一回路系统；蒸汽的核岛、包括反应堆装置和一回路系统；另一部分是利用蒸汽发电的常规岛，

15、包括汽另一部分是利用蒸汽发电的常规岛，包括汽轮发电机系统。轮发电机系统。核反应堆核反应堆产生核裂变反应的产生核裂变反应的设备叫做反应堆。设备叫做反应堆。原子核反应堆通常原子核反应堆通常以铀或钚作核燃料，以铀或钚作核燃料，可控地进行链式裂可控地进行链式裂变反应变反应，并持续不，并持续不断地将裂变能量带断地将裂变能量带出作功的一种特殊出作功的一种特殊的的原子锅炉原子锅炉。1960198020002020204020602080（50-60 built） （反应堆发展历史反应堆发展历史1942年世界上第一座核反应堆运行成功年世界上第一座核反应堆运行成功核反应堆发展历史核反应堆发展历史n实验示范阶段（

16、实验示范阶段（1946-1965）n高速发展阶段（高速发展阶段（1966-1980）n滞缓发展阶段（滞缓发展阶段（1980-2000）良性循环：改进技术，降低成本及大规模出口良性循环：改进技术，降低成本及大规模出口这一时期基本形成了目前世界核电的格局这一时期基本形成了目前世界核电的格局 美国：压水堆美国：压水堆Model 212、Model 312，Model 314 ，Model 412、Model 414；沸水堆（；沸水堆（BWR） 法国、日本、韩国：法国、日本、韩国：Model 412、System80 等标准核电站等标准核电站美国美国- -苏联引导核电发展苏联引导核电发展第二世界国际积

17、极跟进第二世界国际积极跟进 英国，法国：原型天然铀石墨气冷堆核电站英国，法国：原型天然铀石墨气冷堆核电站加拿大：天然铀重水堆核电站加拿大：天然铀重水堆核电站1973，1979 年两次石油危机年两次石油危机1979年年3月美国三哩岛事故雪上加霜月美国三哩岛事故雪上加霜1986年苏联切尔诺贝利核电事故致命一击年苏联切尔诺贝利核电事故致命一击要求更安全的要求更安全的第三代核电站第三代核电站，第三代核能系，第三代核能系统应运而生。统应运而生。核动力堆核动力堆第二春天？（第二春天？（2000-2000-）n经济发展受能源及环境制约凸显经济发展受能源及环境制约凸显q美国把扩大核能作为国家能源政策的重要组成

18、部分；美国把扩大核能作为国家能源政策的重要组成部分；q俄罗斯制定了较大规模的核电计划，已在南方建造一座俄罗斯制定了较大规模的核电计划，已在南方建造一座100 万千瓦的反应堆，还有万千瓦的反应堆，还有4座机组也在建设中；座机组也在建设中；q日本政府提出核电立国，计划在日本政府提出核电立国，计划在2010年前新建年前新建13座核电座核电厂，厂，2011年后再建年后再建7座核电厂；座核电厂；q近期，亚洲有近期，亚洲有11个国家分别提出将要发展核电个国家分别提出将要发展核电q第三代核电系统第三代核电系统EPR2005年芬兰动工，年芬兰动工，2007年法国动工年法国动工q第三代核电系统第三代核电系统AP

19、1000 2007年在中国动工。年在中国动工。 （海阳，三门）（海阳，三门）当前核能面临的挑战当前核能面临的挑战 n如何实现可持续发展？如何实现可持续发展？n核能面临的挑战可归结为核能面临的挑战可归结为：q 可管理的废物、燃料资源的有效利用可管理的废物、燃料资源的有效利用和环境效益和环境效益q 有竞争力的经济性有竞争力的经济性q 公众认可的安全性公众认可的安全性q 核能系统和核燃料的安全保障核能系统和核燃料的安全保障对第四代核能系统的要求对第四代核能系统的要求n2000年美国提出第四代核能系统的概念。这年美国提出第四代核能系统的概念。这个概念已在世界上被广泛接受，组成第四代个概念已在世界上被广

20、泛接受，组成第四代核能系统国际论坛，核能系统国际论坛，中国中国已参加该论坛。已参加该论坛。n可持续性可持续性n经济性经济性n安全性安全性n防止扩散防止扩散未来的第四代反应堆未来的第四代反应堆 n两年评估的结果两年评估的结果，6种第四代反应堆堆型种第四代反应堆堆型入选（入选（2002年提出）年提出）国内外核电发展概况国内外核电发展概况 国际国际约约463463堆，总功率约堆，总功率约3.73.7亿千瓦亿千瓦全球平均：全球平均：容量占容量占11%11%，电量占，电量占17%17%发达国家平均：发达国家平均：容量占容量占20%20%，电量占，电量占30%30%国家国家/ /地区地区美国美国法国法国日

21、本日本俄罗斯俄罗斯德国德国乌克兰乌克兰堆堆 数数10710760605555333320202020装机容量装机容量,MW,MW991889918864300643004465044650232202322022280222801757017570核电份核电份 额额% %202080803535161632324747国家国家/ /地区地区韩国韩国英国英国瑞典瑞典西班牙西班牙中国中国其他其他总计总计堆堆 数数1818353512129 911118383463463装装 机容机容 量量,MW,MW1489014890129301293010040100407320732091709170471

22、1047110370398370398核电份核电份 额额% %34342828464629291.41.4装机容量装机容量：美国居首位，占：美国居首位，占1/41/4发展速度发展速度：法国、日本、韩国：法国、日本、韩国发展国家发展国家：韩国、中国：韩国、中国世界能源特点世界能源特点n目前全世界能源总消费量约为目前全世界能源总消费量约为130亿吨标准亿吨标准煤，煤，化石能源占化石能源占85%以上，从能源的供应结以上，从能源的供应结构来看，目前世界上消耗的能源主要来自构来看，目前世界上消耗的能源主要来自煤、煤、石油、天然气石油、天然气三大资源。三大资源。q资源问题；环境问题资源问题；环境问题q政治

23、冲突；外部成本政治冲突；外部成本我国能源结构特点我国能源结构特点n能源结构上能源结构上：以煤为主体，石油和天然气资源不：以煤为主体，石油和天然气资源不丰富，一次能源消费占能源消费量的丰富，一次能源消费占能源消费量的70，电力，电力能源结构以煤为主，能源结构以煤为主，煤电占发电总量的煤电占发电总量的77。n能源区域分布与工业布局不平衡，而且相反。能源区域分布与工业布局不平衡，而且相反。q中国已成为世界第二大能源生产与消费国、第中国已成为世界第二大能源生产与消费国、第一大煤炭生产与消费国、第二大石油消费国及一大煤炭生产与消费国、第二大石油消费国及石油进口国、第二大电力生产国。石油进口国、第二大电力

24、生产国。能源问题困扰中国能源问题困扰中国n北煤南运北煤南运运输量十分巨大，经济上也不运输量十分巨大，经济上也不合理。合理。n西电东送西电东送技术上难度大，经济上代价高。技术上难度大，经济上代价高。n发展核电发展核电核电在工业发达国家已有几十核电在工业发达国家已有几十年的发展历史，核电已成为一种成熟的能源。年的发展历史，核电已成为一种成熟的能源。中国需要发展核电中国需要发展核电n国家中长期科技发展规划国家中长期科技发展规划（20062020年）提出中年）提出中国发展面临的国发展面临的“瓶颈瓶颈” 是是能源、资源和环境能源、资源和环境问题问题n本世纪中叶达到中等发达本世纪中叶达到中等发达国家的水平

25、：一次能源消国家的水平：一次能源消费费45亿吨标煤亿吨标煤/年，电力装年，电力装机机16亿千瓦。亿千瓦。我国核电发展概况我国核电发展概况已已 建建 MW大亚湾大亚湾2 210001000岭澳岭澳2 210001000秦山一期秦山一期1 1350350秦山二期秦山二期2 2650650秦山三期秦山三期2 2700700连云港连云港2 210601060小计小计总计总计4000 , 51709170 在在 建建及规划及规划 MW岭澳二期岭澳二期2 210801080红沿河红沿河4 411001100台山台山4 417001700宁德宁德4 411001100阳江阳江410601060秦山二期（续）

26、秦山二期（续）2 2650650方家山方家山2 211001100三门三门4 412001200海阳海阳4 412001200福清福清6 6100100石湾岛石湾岛2020小计小计总计总计22000，13920359202020建成建成70000MW，在建，在建40000MW秦山一期核电厂秦山一期核电厂秦山三期核电厂秦山三期核电厂大亚湾核电厂厂区大亚湾核电厂厂区中国的核电发展中国的核电发展n大型先进压水堆及高温气冷堆示范电站大型先进压水堆及高温气冷堆示范电站”已列入已列入国家发展重大专项国家发展重大专项n20万千瓦万千瓦模块式高温气冷堆示范电站模块式高温气冷堆示范电站项目已于项目已于2009年

27、年9月开工，计划于月开工，计划于2013年年11月投产发电月投产发电n向巴基斯坦出口向巴基斯坦出口30万千瓦万千瓦恰希玛核电站恰希玛核电站我国本世纪核电发展战略我国本世纪核电发展战略核电中长期发展规划核电中长期发展规划(2005-2020(2005-2020年年) )贯彻贯彻“积极推进核电建设积极推进核电建设”的电力发展基本方针，的电力发展基本方针，统一核电发展技术路线，注重核电的安全性和经统一核电发展技术路线，注重核电的安全性和经济性，坚持济性，坚持以我为主，中外合作，以市场换技术以我为主，中外合作，以市场换技术，引进国外先进技术，国内统一组织消化吸收，并引进国外先进技术，国内统一组织消化吸

28、收，并再创新，实现先进压水堆核电站工程设计、设备再创新，实现先进压水堆核电站工程设计、设备制造、工程建设和运营管理的自主化。形成批量制造、工程建设和运营管理的自主化。形成批量化建设中国品牌先进核电站的综合能力，提高核化建设中国品牌先进核电站的综合能力，提高核电所占比重，实现核电技术的跨越式发展，迎头电所占比重，实现核电技术的跨越式发展，迎头赶上世界核电先进水平。赶上世界核电先进水平。核电发展带来的机遇核电发展带来的机遇国内核电投资商国内核电投资商n中国核工业总公司：中国核工业总公司：成员成员 单位单位100100多家多家n广东核电集团广东核电集团n中国电力投资集团公中国电力投资集团公司司国内相

29、关高校国内相关高校n清华大学清华大学n西安交通大学西安交通大学n上海交通大学上海交通大学n哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 n南华大学南华大学n四川大学四川大学n南京理工大学南京理工大学聚变反应堆聚变反应堆劳森判据（点火条件）劳森判据（点火条件）1957年，英国物理学家劳森（年，英国物理学家劳森（Lawson）通过估算给出了聚变自持燃烧的条件。通过估算给出了聚变自持燃烧的条件。nT 51021m-3 Kev sn: 等离子体密度等离子体密度T: 等离子体温度等离子体温度 : 等离子体约束时间等离子体约束时间磁约束核聚变磁约束核聚变-托卡马克装置托卡马克装置托卡马克核聚变的中央是一个环形的真空室，外托卡马克核聚变的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体等离子体加热加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。到很高的温度，以达到核聚变的目的。ITER