新能源技术 核电樊

1、第第5章章核能发电核能发电主要内容主要内容核能基础知识核能基础知识5.15.2核安全问题核安全问题 5.3核电站核电站 5.4核能发展现状核能发展现状 1896年法国物理学家贝克勒尔发现铀化合物能使胶片年法国物理学家贝克勒尔发现铀化合物能使胶片感光，证明其能放射出看不见的射线；感光，证明其能放射出看不见的射线； 法国科学家皮埃尔法国科学家皮埃尔居里（居里（18591906）和他的夫人）和他的夫人玛丽玛丽居里（居里（18671934）先后发现了钋、镭等新的放射性）先后发现了钋、镭等新的放射性元素。元素。1898年年7月，发现月，发现 “钋钋” ，1898年年9月，发现月，发现 “镭镭”。 190

2、2年居里夫妇从年居里夫妇从8吨铀沥青废矿渣里分离出吨铀沥青废矿渣里分离出0.12克克纯氯化镭，并测定其原子量为纯氯化镭，并测定其原子量为225（国际公认值（国际公认值226.0254），镭的放射性比铀强二百多万倍。三年后，金），镭的放射性比铀强二百多万倍。三年后，金属纯镭的提炼获得成功。属纯镭的提炼获得成功。 1903年与居里夫妇共同获得诺贝尔奖。年与居里夫妇共同获得诺贝尔奖。1911年居里夫年居里夫人再次获得诺贝尔奖。人再次获得诺贝尔奖。放射性的发现放射性的发现 从原子核放射出的射线有三种：从原子核放射出的射线有三种：、 、。 粒子是带正粒子是带正电的氦核，由电的氦核，由2个质子和个质子和2

3、个中子组成，速度为光速的十分个中子组成，速度为光速的十分之一，穿透力差；之一，穿透力差；射线是一种高能电子流，速度为光速射线是一种高能电子流，速度为光速的十分之九；的十分之九；是一种高能光子，电中性的电磁辐射，穿是一种高能光子，电中性的电磁辐射，穿透力能力最强。透力能力最强。 1902年，卢瑟福与美国化学家索迪发表了他们合作研年，卢瑟福与美国化学家索迪发表了他们合作研究的结果，认为放射性的产生是一种元素的原子脱变究的结果，认为放射性的产生是一种元素的原子脱变为另一种元素的原子时所发生的现象。这些原子在放为另一种元素的原子时所发生的现象。这些原子在放出出 粒子或粒子或 粒子后，便自发地转变成为另

4、一种元素的粒子后，便自发地转变成为另一种元素的原子。这个过程称为衰变。原子。这个过程称为衰变。产生放射性的原因产生放射性的原因原子核包含两种粒子：中子原子核包含两种粒子：中子(Neutron)(Neutron)与质子与质子(Proton)(Proton)。中子与质子的质量相近，约为电子质量的中子与质子的质量相近，约为电子质量的18401840倍。倍。原子核的结构原子核的结构原子能原子能 原子能来源于原子核结合能发生变化时所释放的能量，所原子能来源于原子核结合能发生变化时所释放的能量，所以也叫核能。以也叫核能。 两个途径可以获得能量：两个途径可以获得能量： 重核裂变：重核裂变：即一个重核可裂变为

5、两个中等质量的核，即一个重核可裂变为两个中等质量的核，从而获得原子能。从而获得原子能。 -人们依靠重核裂变的方法制成了原子反应堆和原子弹。人们依靠重核裂变的方法制成了原子反应堆和原子弹。 轻核聚变：轻核聚变：当两个或两个以上的较轻原子核，在极高当两个或两个以上的较轻原子核，在极高的温度和极大的压力下非常靠近时，它们聚合在一起而形的温度和极大的压力下非常靠近时，它们聚合在一起而形成一个较重的新原子核，同时释放出巨大的能量。成一个较重的新原子核，同时释放出巨大的能量。 -人们依靠轻核聚变制成了氢弹，而可控聚变堆正在研人们依靠轻核聚变制成了氢弹，而可控聚变堆正在研制中。制中。重核裂变重核裂变上式中上

6、式中Kr（氪）和（氪）和Ba称为称为碎片，碎片，E为放出的能量。为放出的能量。2351941391920365603UnKrBanE 1939 1939年德国化学家哈恩根据当时的实验结果和爱因斯年德国化学家哈恩根据当时的实验结果和爱因斯坦的理论，提出了坦的理论，提出了“分裂核分裂核”的概念，证实铀原子核受中的概念，证实铀原子核受中子轰击后分裂成两个碎片，并放出巨大的能量，这一划时子轰击后分裂成两个碎片，并放出巨大的能量，这一划时代的发现立即得到全世界公认，由此获得代的发现立即得到全世界公认，由此获得19441944年度诺贝尔年度诺贝尔化学奖。化学奖。铀铀235235核裂变过程核裂变过程 中子撞

7、击原子核引起原子核裂变，裂变的过程释放中子撞击原子核引起原子核裂变，裂变的过程释放出能量，同时又产生了新的中子。新产生的中子引起新出能量，同时又产生了新的中子。新产生的中子引起新的原子核裂变，裂变反应连续不断地进行下去，同时不的原子核裂变，裂变反应连续不断地进行下去，同时不断产生新能量，这个过程就是断产生新能量，这个过程就是链式核裂变反应链式核裂变反应。 由于每次核裂变可释放出由于每次核裂变可释放出2 23 3个新的中子，因此，个新的中子，因此，只要条件适当，这些新的中子就可以使其它的原子核发只要条件适当，这些新的中子就可以使其它的原子核发生新的裂变，释放出更多新的中子，从而使核裂变反应生新的

8、裂变，释放出更多新的中子，从而使核裂变反应持续进行下去，形成链式裂变反应，使原子核内的能量持续进行下去，形成链式裂变反应，使原子核内的能量被源源不断地释放出来。被源源不断地释放出来。链式核裂变反应链式核裂变反应 裂变以前裂变以前 裂变以后裂变以后236.0526u 1.0087u 235.0439u 1O23592nU 反应过程中质量减少反应过程中质量减少m=0.2135u，反应中释放，反应中释放的能量：的能量：E= mc2=201兆电子伏兆电子伏（ 1MeV=1.60211MeV=1.60211010-18-18J J ）。）。235.8373u 3.0261u 391.8973u 140.

9、9139u 10923614156nKrBa铀铀-235-235核裂变产生的能量核裂变产生的能量核燃料核燃料 目前只有三种核素可以发生核裂变目前只有三种核素可以发生核裂变, ,并引起链式反应，并引起链式反应，铀铀-233-233、铀、铀-235-235和钚和钚-239-239，其中只有铀，其中只有铀-235-235是自然界中是自然界中存在的存在的. . 铀铀-238-238在高能中子的轰击下也能发生裂变反应（氢在高能中子的轰击下也能发生裂变反应（氢铀弹）。铀铀弹）。铀-233-233和钚和钚-239-239是人工制造的，分别由钍是人工制造的，分别由钍-232-232和铀和铀-238-238吸收

10、中子后经过吸收中子后经过2 2次次衰变生成。衰变生成。 天然铀是由铀天然铀是由铀-235-235、铀、铀-238-238和铀和铀-234-234三种同位素组成，三种同位素组成，其中铀其中铀-235-235的丰度只有的丰度只有0.711%0.711%，而铀，而铀-238-238的丰度达的丰度达99.284%99.284%。因此核能利用的一个关键技术就是铀浓缩（富。因此核能利用的一个关键技术就是铀浓缩（富集）。集）。铀在陆地上的储量并不丰富，铀在陆地上的储量并不丰富，总量不超过总量不超过37003700万万吨吨，按目前的消耗量，仅够人类使用几十年。，按目前的消耗量，仅够人类使用几十年。在浩瀚的海水

11、中，有超过陆地几千万倍的铀，但在浩瀚的海水中，有超过陆地几千万倍的铀，但其分布不集中，其分布不集中，10001000吨海水中仅含有吨海水中仅含有3 3克铀克铀，如何，如何提取出来是一项关键性步骤。目前在研究：吸附法、提取出来是一项关键性步骤。目前在研究：吸附法、共沉淀法、气泡分离法、藻类生物浓缩法共沉淀法、气泡分离法、藻类生物浓缩法世界上铀的储存量世界上铀的储存量轻核聚变轻核聚变核聚变：数个小原子核结合并释放能量。核聚变：数个小原子核结合并释放能量。23411120HHHen 聚变反应能量聚变反应能量氘和氚发生聚变后，氘和氚发生聚变后，2 2个原子核结合成个原子核结合成1 1个氦原子核，并个氦

12、原子核，并放出放出1 1个中子和个中子和0.1760.176亿电子伏特能量亿电子伏特能量。每一次氘氚聚变时释放的能量，比一次铀每一次氘氚聚变时释放的能量，比一次铀235235裂变释放裂变释放的约的约2 2亿电子伏特能量少得多。氘氚聚变时只有亿电子伏特能量少得多。氘氚聚变时只有5 5个核子个核子参加反应，而铀参加反应，而铀235235裂变时有裂变时有236236个核子参加反应。因此个核子参加反应。因此如果按平均每个核子释放的能量来比较，如果按平均每个核子释放的能量来比较，氘氚聚变释放氘氚聚变释放的能量是铀的能量是铀235235裂变释放的能量的裂变释放的能量的4.144.14倍倍。1 1克氘聚变时

13、释放的能量克氘聚变时释放的能量44克铀克铀-235-235聚变时释放的能聚变时释放的能。 氘也丰富地蕴藏在海水中。氘也丰富地蕴藏在海水中。 据科学家估算，据科学家估算，1M1M3 3海水中的氘聚变产生的热量海水中的氘聚变产生的热量 燃烧燃烧20002000桶石油桶石油 1KM1KM3 3海水中的氘聚变产生的能量海水中的氘聚变产生的能量 全世界全部石油储全世界全部石油储量拥有的能量；量拥有的能量； 将海水中的氘全部拿来聚变释放的能量将海水中的氘全部拿来聚变释放的能量 53000 53000亿亿吨亿亿吨标准煤燃烧释放的能量，足够人类使用标准煤燃烧释放的能量，足够人类使用10001000亿年。亿年。

14、 氘的提取方法简单；成本较低；运行安全；无放射性氘的提取方法简单；成本较低；运行安全；无放射性 因此，人类对未来核能的利用，更寄希望于核聚变能。因此，人类对未来核能的利用，更寄希望于核聚变能。氘和氚储藏量氘和氚储藏量 聚变也称热核反应，是轻核结合成一个较重的平均结聚变也称热核反应，是轻核结合成一个较重的平均结合能较大的原子核，同时放出巨大能量。合能较大的原子核，同时放出巨大能量。 由于原子核间有很强的静电排斥力，一般条件下发生由于原子核间有很强的静电排斥力，一般条件下发生核聚变的几率很小，只有在核聚变的几率很小，只有在几千万摄氏度以上的超高温下几千万摄氏度以上的超高温下，轻核才有足够的动能去轻

15、核才有足够的动能去克服静电斥力克服静电斥力而发生持续的核聚变。而发生持续的核聚变。由于由于超高温超高温（氘（氘- -氚反应，临界点火温度约为氚反应，临界点火温度约为44004400万度，万度，纯氘反应，点火温度约为纯氘反应，点火温度约为2 2亿度。而要维持聚变反应的进亿度。而要维持聚变反应的进行，实际温度需要比临界点火温度高很多，如氘行，实际温度需要比临界点火温度高很多，如氘- -氚反应氚反应的最低运转温度高达的最低运转温度高达1 1亿度，纯氘反应堆则需高达亿度，纯氘反应堆则需高达5 5亿度）亿度）是必须的外部条件是必须的外部条件，因此核聚变又称热核反应。，因此核聚变又称热核反应。核聚变反应产

16、生的条件核聚变反应产生的条件：A A、如何保证等离子体的密度如何保证等离子体的密度？因为等离子体密度越大，单位体积内的原子核数目越多，因为等离子体密度越大，单位体积内的原子核数目越多，热核反应越容易进行。热核反应越容易进行。B B、等离子体的约束时间等离子体的约束时间。 需要解决的难题：需要解决的难题：A A、如何把等离子体加热到超高温、如何把等离子体加热到超高温度？度？B B、如何约束等离子体，使其不与装它的容器碰撞，、如何约束等离子体，使其不与装它的容器碰撞，否则容器要烧毁；否则容器要烧毁；C C、如何防止杂质混入等离子体？杂质、如何防止杂质混入等离子体？杂质会增加辐射而使等离子体冷却。会

17、增加辐射而使等离子体冷却。受控核聚变反应需要解决的问题受控核聚变反应需要解决的问题主要内容主要内容核能基础知识核能基础知识5.15.2核安全问题核安全问题 5.3核电站核电站 5.4核能发展现状核能发展现状 原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆。出来，人们制成了核反应堆。核反应堆是人工控制链式核反应堆是人工控制链式反应的装置。反应的装置。核反应堆核反应堆水管水管铀棒铀棒镉棒镉棒石墨石墨水水泥泥防防护护层层核反应堆核反应堆

18、（1 1）核燃料。用浓缩铀（能吸收慢中子的铀）核燃料。用浓缩铀（能吸收慢中子的铀235235约占约占3%3%）（2 2）减速剂。用石墨或重水（使裂变中产生的中子减速以）减速剂。用石墨或重水（使裂变中产生的中子减速以便被铀便被铀235235吸收）。吸收）。（3 3）控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。）控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。（4 4）冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去）冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）。用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）。（5 5）水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。）水泥防护层

19、。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核反应堆的主要组成核反应堆的主要组成反应堆反应堆裂变堆裂变堆聚变堆聚变堆慢中子堆慢中子堆快中子堆快中子堆轻水堆轻水堆重水堆重水堆石墨堆石墨堆气冷堆气冷堆压水堆压水堆沸水堆沸水堆核反应堆分类核反应堆分类核电站核电站核电站：核电站：利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站。轮发电机发电，这就是核电站。 第一回路：在第一回路中，先用泵把冷却剂水或其他液体第一回路：在第一回路中，先用泵把冷却剂水或其他液体压入核反应堆，在那里获得铀核裂变释放的核能，被加热，压入核反应堆，在那里获得铀核裂变释放的核

20、能，被加热，然后进入热交换器，在那里把热量传递给第二回路中的水，然后进入热交换器，在那里把热量传递给第二回路中的水，再被泵压回反应堆重新被加热。再被泵压回反应堆重新被加热。第二回路：在热交换器内，第二回路中的水被加热成高温第二回路：在热交换器内，第二回路中的水被加热成高温高压蒸汽后，进入汽轮发电机推动汽轮机做功，把内能转高压蒸汽后，进入汽轮发电机推动汽轮机做功，把内能转化成电能化成电能.做功后的蒸汽温度和压强都降低了，它将进入冷做功后的蒸汽温度和压强都降低了，它将进入冷凝器冷却成水，再由泵压回热交换器重新加热成高温高压凝器冷却成水，再由泵压回热交换器重新加热成高温高压蒸汽。蒸汽。核电站与火电站

21、比较核电站与火电站比较核能发电的优点核能发电的优点 1.1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电气中，因此核能发电不会造成空气污染不会造成空气污染。 2.2.减少依赖化石燃料。减少依赖化石燃料。 3.3.核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其它的用途。核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其它的用途。 4.4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座100010

22、00百百万瓦的核能电厂一年只需万瓦的核能电厂一年只需3030公吨的铀燃料，一航次的飞机公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。就可以完成运送。5.5.运作成本低（约为火电厂的三分之一）。运作成本低（约为火电厂的三分之一）。核能发电的缺点核能发电的缺点 1.1.核能电厂会产生核能电厂会产生高放射性废料高放射性废料，或者是使用过的核燃料，或者是使用过的核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理慎重处理。 2.2.核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境里，故核能电厂的热污染

23、较严重。更多废热到环境里，故核能电厂的热污染较严重。 3.3.核能电厂投资成本较大。核能电厂投资成本较大。 主要内容主要内容核能基础知识核能基础知识5.15.2核安全问题核安全问题 5.3核电站核电站 5.4核能发展现状核能发展现状 11 一座百万级核电厂周围居民一年接受的辐射只有一座百万级核电厂周围居民一年接受的辐射只有0.0180.018毫希，与每天抽毫希，与每天抽1/51/5支香烟的辐射量相当。专家测算表明：支香烟的辐射量相当。专家测算表明：全人类集体辐照剂量中，全人类集体辐照剂量中，3/43/4来自自然界，来自自然界，1/51/5来自医疗及来自医疗及诊断，核电的份额为诊断，核电的份额为

24、1/4001/400。假如全球人类的预期寿命为。假如全球人类的预期寿命为6060岁。一个每天抽一包烟的人将减寿岁。一个每天抽一包烟的人将减寿7 7年，而核电的影响是减年，而核电的影响是减寿寿2424秒。秒。 在一定的范围内，人体对放射性损伤有自然抵抗和恢在一定的范围内，人体对放射性损伤有自然抵抗和恢复能力。人体能够耐受一次复能力。人体能够耐受一次0.250.25希伏特的集中照射而不致希伏特的集中照射而不致遭到损伤，但是国家为了保护工作人员和居民的身体健康，遭到损伤，但是国家为了保护工作人员和居民的身体健康，规定了特别严格的限值，即从事放射性工作的人员每年不规定了特别严格的限值，即从事放射性工作

25、的人员每年不超过超过0.050.05希伏特，核设施周围居民每年不超过希伏特，核设施周围居民每年不超过0.0010.001希伏特，希伏特，也就是每年不超过也就是每年不超过1 1毫希沃特，核电站对人造成的实际剂量毫希沃特，核电站对人造成的实际剂量比上述限量要小得多。核电站规定的管理标准，对周围居比上述限量要小得多。核电站规定的管理标准，对周围居民的照射不得超过民的照射不得超过0.250.25毫希毫希/ /年。年。 历史上重大影响的核安全事故历史上重大影响的核安全事故 核电站历史上的两大事故对核安全思想的发展有着重大核电站历史上的两大事故对核安全思想的发展有着重大的影响：的影响： 三哩岛事故三哩岛事

26、故 电站位于宾夕法尼亚一个河心岛上，共两电站位于宾夕法尼亚一个河心岛上，共两台机组，总容量台机组，总容量1700MW1700MW，堆型为压水堆。，堆型为压水堆。 19791979年年3 3月月2828日清晨日清晨2 2号机组发生机械故障，由于操作人号机组发生机械故障，由于操作人员的连续误操作导致严重失水事故，堆芯冷却恶化，结果员的连续误操作导致严重失水事故，堆芯冷却恶化，结果70%70%的燃料元件受到损伤，其中的燃料元件受到损伤，其中35%35%45%45%的元件熔化，的元件熔化，50%50%的气态的气态裂变产物进入了安全壳。裂变产物进入了安全壳。 由于安全壳的有效阻挡，进入环境中的放射性气体

27、氙由于安全壳的有效阻挡，进入环境中的放射性气体氙- -133133的放射强度仅的放射强度仅1 15 51017Bq1017Bq（贝克勒尔，核衰变（贝克勒尔，核衰变/ /秒）秒）占堆内总量的占堆内总量的2-10%2-10%。 事故中只有事故中只有3 3名工作人员受到略超过年规定值的个人辐名工作人员受到略超过年规定值的个人辐照计量。照计量。 由于美国核管会不适当的撤离警告，造成由于美国核管会不适当的撤离警告，造成8 8万人惊慌撤万人惊慌撤离，混乱中离，混乱中3 3人被挤死。人被挤死。 事故引起世界震惊，促使人们对安全措施、人员培训事故引起世界震惊，促使人们对安全措施、人员培训和应急对策进行重大改。

28、和应急对策进行重大改。 切尔诺贝利核电站事故切尔诺贝利核电站事故 电站位于乌克兰基辅以北电站位于乌克兰基辅以北130km130km的一条河边，共的一条河边，共4 4台台1000MW1000MW机组。机组。1 1，2 2号机组于号机组于19771977年建成发电，年建成发电，3 3，4 4号号建于建于19831983年。堆型为石墨沸水堆，石墨为慢化剂，水年。堆型为石墨沸水堆，石墨为慢化剂，水为冷却剂，发电效率高，成本低。为冷却剂，发电效率高，成本低。 缺陷：无安全壳及辅助设备，冷却回路自稳定性差，缺陷：无安全壳及辅助设备，冷却回路自稳定性差，采用石墨作为慢化剂，又石墨会燃烧。采用石墨作为慢化剂，

29、又石墨会燃烧。 19861986年年4 4月月2525日日4 4月月2626日在日在4 4号机组上进行一项汽轮机号机组上进行一项汽轮机的实验中由于准备不充分，发生了一连串的误操作，的实验中由于准备不充分，发生了一连串的误操作，又关闭了自动保护系统，结果导致反应堆瞬发超临界，又关闭了自动保护系统，结果导致反应堆瞬发超临界，功率剧增，冷却恶化，堆芯熔化，燃料与水发生剧烈功率剧增，冷却恶化，堆芯熔化，燃料与水发生剧烈的化学反应，最终引起蒸汽、氢气爆炸，石墨燃烧，的化学反应，最终引起蒸汽、氢气爆炸，石墨燃烧，堆体和建筑物毁坏，放射性物质抛向空中，造成迄今堆体和建筑物毁坏，放射性物质抛向空中，造成迄今最

30、严重的事故灾难。最严重的事故灾难。 爆炸后消防队立即出动，爆炸后消防队立即出动，4 4小时扑灭大火，小时扑灭大火，3636小时小时 内救出内救出300300多名伤员，多名伤员，4 4月月2727日立即撤走日立即撤走4 4万万5 5千居民，千居民， 随后又在随后又在3030公里重灾区内迁移了公里重灾区内迁移了2727万居民。对整个地万居民。对整个地 区的居民点、农田、森林、设备进行了放射性清理。区的居民点、农田、森林、设备进行了放射性清理。 用飞机向堆体抛投了用飞机向堆体抛投了60006000多吨沙子和石料，然后再做多吨沙子和石料，然后再做 了一个钢筋混凝土石棺。了一个钢筋混凝土石棺。 福岛核电

31、站事故福岛核电站事故 福岛第一核电站共有福岛第一核电站共有6 6座沸水反应堆机组。地震发生座沸水反应堆机组。地震发生后，反应堆机组冷却系统供电中断，水循环不能完成，后，反应堆机组冷却系统供电中断，水循环不能完成，核反应堆中的热量带不出去，热量的聚集导致容器中更核反应堆中的热量带不出去，热量的聚集导致容器中更多的液态水变成蒸汽，容器内气压变大，对容器外壳形多的液态水变成蒸汽，容器内气压变大，对容器外壳形成威胁。为了降低容器内的气压，电站工作人员选择把成威胁。为了降低容器内的气压，电站工作人员选择把蒸汽排出核反应堆，但是容器内的高温使得水蒸汽与锆蒸汽排出核反应堆，但是容器内的高温使得水蒸汽与锆合金反应产生氢气，与厂房里的氧气混合发生了爆炸，合金反应产生氢气，与厂房里的氧气混合发生了爆炸，造成了放射性物质泄漏。造成了放射性物质泄漏。 核安全核安全 核安全就是