核电能源转化过程分析

1、能源转化过程中的科学问题课程报告民用核电能源转化过程分析哈尔滨工业大学2014年7月摘要核能自从应用于民用发电以来就一直以很快的速度发展，这与上个世纪以来 的能源危机密不可分。一方面我们的生产生活高度依赖化石能源，对能源的需求 量越来越大，另一方面，化石能源即将耗尽。面对能源紧缺的问题，在众多新能 源中核能在目前来看是最具优势的。关键词：民用核电，能源转化，技术，科学问题。 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 摘要I HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第一章民用核电能源转

2、化过程绪论1 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1.1课题背景及研究的目的和意义1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.2民用核电技术相关理论的发展 错误！未定义书签。 民用核电的发展2民用和电站系统分类4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 第二章民用核电能源转化过程简介5 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 第三章民用核电能源转化过程关键技术分析9 HYPERLINK l bookmark34

3、o Current Document 第四章民用核电能源转化过程科学问题分析10 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 结论15III第一章民用核电能源转化过程绪论1.1课题背景及研究的目的和意义本文将对目前用于商业发电的核能转化过程中的工程问题、技术问题、科学问题 进行探讨。总结核能发展的利弊、困难和趋势。核能自从应用于民用发电以来就一直以很快的速度发展，这与上个世纪以来 的能源危机密不可分。一方面我们的生产生活高度依赖化石能源，对能源的需求 量越来越大，另一方面，化石能源即将耗尽。面对能源紧缺的问题，在众多新能 源中核能在目前来看是最具优势的。

4、核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万 倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦 的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。核电站 可以有很大的转机容量，第三代核电系统的单机容量已超过一千兆瓦。核能也具 有太阳能、风能所没有的稳定性。相比之下，只有核能能够正在有效地缓解供电 压力。如今，使用化石燃料所带来的日益严重的环境问题，使核能的开发在今天 显得更为迫切。在1月下旬于联合国纽约总部举行的“2014气候风险投资人峰 会”上，联合国气候变化框架公约秘书处执行秘书菲格雷斯表示，要想实现 将气温升幅控制在2摄氏度以内的全球目标，必须提高对清洁能源

5、技术的投资， 国际社会需要在2050年前为清洁能源项目投入36万亿美元，相当于每年投入1 万亿美元。“然而，以2012年为例，全球清洁能源投资总额仅为2.81亿美元， 远远低于实际需求。”在气候指标的倒逼下，包括核能在内的清洁能源投资将是 资金流向的热潮领域。1（2013年全球核电发展状况回顾，中国行业研究网， 2014.3.6）1.2民用核电技术相关理论的发展1895 年伦琴发现了X射线1896 年贝克勒尔发现了放射性1897 年汤姆逊发现了电子1898 年居里夫人发现了钍、针，1902年提炼出镭1905 年爱因斯坦发表质能关系式1914 年卢瑟福发现质子1920 年卢瑟福提出中子假说193

6、2 年查德威克发现中子，费米开始用中子轰击核素，发现新核素锋1939 年奥托哈恩提出分裂核理论，发现链式反应中子轰击一一吸收中子一一裂变反应产生中子维持链式反应的条件一一利用中子=1。民用核电的发展核能，作为上世纪出现的新型能源，从最初的理论到震惊世界的终极武器， 再到如今占据世界总发电量14%的重要电力来源，有关核能利用的争论一直在持 续。作为一种清洁、高效，但可能在极端情况下带来灾难的能源，核电的优势在 于清洁和高效。目前核电反应堆采用的是裂变原理，而1千克铀-235全部裂变 放出的能量约为82000亿焦耳，这相当于2700多吨标准煤燃烧放出的能量，同 时不产生任何废气和颗粒物。1951年

7、，美国人在爱达荷州首先实现了利用核能反应堆发电，人类对核能的 和平利用就此开始。1954年，前苏联在位于莫斯科西南的奥布宁斯克建成了世界上第一座核电 站，当时它的装机容量只有5000千瓦。而到今天，全球在运行的核电机组总数达到437个，总装机量为37530万千 瓦。核电发电量占世界总发电量的14%。世界上发电量第一个达到1万亿度的是法国的格拉弗林核电站，这相当于少 燃烧了 3.5亿吨煤、2.2亿吨石油或者600亿立方米天然气。世界核电生产能力最强的国家是美国，截止2013年12月，美国共拥有104 座核电站。核电发电量占全国总电力比例最高的国家是法国，核电发电量占全国总电力 的比例为74.8%

8、。如今核电在全球的分布很广泛，拥有核电机组较多的国家依次为：美国104 个、法国58个、日本50个、俄罗斯33个、韩国23个、印度21个、加拿大19 个、中国17个，英国16个、乌克兰15个、瑞典10个。世界核电发展历程分为四代。首先是1954-1965年的实验示范阶段，在此期 间世界共有38个机组投入运行，属于早期原型反应堆，即“第一代”核电站； 从1966-1980年间，世界共有242个机组投入运行，这就是“第二代”核电站。在 此期间，成功吸收了美国核电技术的日本、法国，核电发电量增长都超过了 20 倍。法国核电发电量增加了 20.4倍，比例从3.7%增加到40%以上；日本核电发 电量增加

9、了 21.8倍，比例从1.3%增加到20%。然而，刚刚走上快车道的世界核电，接连遭遇了 1979年美国的三里岛核事 故以及1986年前苏联的切尔诺贝利核事故，直接导致了世界核电的停滞，核电 站的安全可靠开始引起人们的重视。为此美国和欧洲先后出台了“轻水堆用户要 求”文件（utility requirements document，动画显示URD文件）和“欧洲用户对轻 水堆核 电站的要求”（European utility requirements document，动画写成 EUR 文 件）。能够满足这两种要求的核电技术，被划为第三代核电，目前，采用第三代 核电技术的我国浙江三门核电厂1、2号

10、机组和山东海阳核电厂1、2号机组正在 建设，首台机组最快可能明年开始并网发电，而我国在建的三代核电项目还包括 广东台山核电厂的1、2号机组，这使得中国成为目前世界三代核电建设最多、 最快的国家。1999年6月，第四代核电技术概念被美国克林顿政府的能源部首先提出， 2000年1月，在美国能源部的倡议下，美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、 加拿大、巴西、韩国和阿根廷等十个有意发展核能的国家，联合组成了“第四代 国际核能论坛”，中国已成为重要成员国。根据设想，第四代核能方案的安全性 和经济性将更加优越，废物量极少，无需厂外应急，并具备固有的安全性和防止 核扩散的能力。超临界水堆、超高温气冷堆、熔盐

11、堆、钠冷快堆及气冷快堆、铅 冷快堆都是具有第四代特点的反应堆，目前处在技术研发和科研试验原型堆概念 设计阶段。2（核电发展现状：占世界总发电量14%央视网，）核能分代第四代n IV第一代第二代图迥商用动力堆第三代+ Gen 1114-革新型设计-Dresden （美）-Magnox （英）-PWRs-BWRS-CANDU第二代L-CANDU 6-System 80+-AP600-ABWR革新型设计-安全-可持续性-经济性-防扩散和实体保卫-ACR1000-AP1000-APWR-EPR-ESBWR图一核电分代民用和电站系统分类目前应用最广泛的是压水堆。压水堆(pressurized water

12、 reactor)使用加压轻 水(即普通水)作冷却剂和慢化剂，且水在堆内不沸腾的核反应堆。燃料为低浓 铀。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。压 水堆所使用的工质一一水在工业上已经使用了数百年，各种性质研究比较透彻， 相关的泵、阀门、蒸汽轮机等设备在工业上已经成熟，同时也易于获取；浓缩铀 技术已经解决，不再成为瓶颈；在人力物力上做了很大投入，技术上做了大量研 究，性能上得到不断改进，并且拥有宝贵实际运行经验。第三代核电中AP1000、 EPR等都是用压水堆。沸水堆，沸水堆(Boiling Water Reactor)是轻水堆的一种，沸水堆核电站工 作流程是：冷却剂

13、(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，经过汽水分离器和蒸汽干燥 器，将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电。沸水堆是由压力容器及其中间的燃料元件、十字形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、防止水进入汽轮 机，造成汽轮机叶片损坏。沸水堆所用的燃料和燃料组件与压水堆相同。沸腾水 既作慢化剂又作冷却剂。重水堆，以重水堆为热源的核电站。重水堆是以重水作慢化剂的反应堆，可 以直接利用天然铀作为核燃料。重水堆可用轻水或重水作冷却剂，重水堆分压力 容器式和压力管式两类重水堆核电站是发展较早的核电站，有各

14、种类别，但已实 现工业规模推广的只有加拿大发展起来的坎杜型（CANDU型）压力管式重水堆 核电站。CANDU型堆的特点是堆心使用压力管（代替压水堆的压力容器），用重 水作为慢化剂和冷却剂，以天然铀作燃料，采用不停堆更换燃料。在技术经济上 可与轻水堆竞争。此外超临界水堆、超高温气冷堆、熔盐堆、钠冷快堆及气冷快堆、铅冷快堆 等等。在未来都将投入商业运行。第二章民用核电能源转化过程简介所有的反应堆最主要的区别就在于慢化剂和工质，而其基本工作原理是大致 相同的。首先燃料组件中的燃料开始可控的链式反应，核能转化成了热能，然后 让工质流过堆芯，吸收热量后带出，然后用被加热、加压的工质再把热量交换给 二次侧

15、的工质（一般是水），再用二次侧的工质去推动汽轮机，将热能转化为机 械能，也可以用一次侧的工质直接推动汽轮机。最后汽轮机带动发电机，将机械 能转化为电能。如高温气冷堆既可以用高温氦气直接驱动汽轮机，又可以用高温 氦气加热水，让水蒸气去驱动气轮机。310MW温度(二)/压力(MPa)550/6.92反应堆堆芯口发电机厂 573/2,71900/6一 83v涡轮机35,4.22/113/7.00高压压气机113_35/2.56阀低压压气机流量：170 kg/s;压缩比:2.74;循环效率:47.9%图三高温气冷堆氦气轮机直接循环方案3（高温气冷堆技 术背景和发展潜力的初步研究，王捷）在压水堆中是用堆

16、芯加热一次侧的水，在将高温高压的水通入蒸汽发生器加 热二次侧的水产生水蒸气。图四压水堆结构示意图4百度图片）在沸水堆中水被加热至沸腾，通过气液分离器将蒸汽分离出来直接驱动汽轮机。汽粒扒厂房购找亲命泗威图五沸水堆结构示意图4压力管式重水堆用堆芯加热重水，再将重水通入蒸汽发生器。蒸汽管道主泵集管W轻水蒸汽 匚轻水E3素水冷却刊叨点水慢化剂图六压力管式重水反应堆示意图5（重水堆简介百度文库）第三章民用核电能源转化过程关键技术分析3.1燃料组件目前使用最广泛的是压水堆所采用的燃料棒。将二氧化铀颗粒封装到锆合金 管中，再将若干锆管集成一束构成燃料组件。而高温气冷堆目前使用的是球形燃 料元件。外热解碳房

17、疏松层石墨基体内热解碳层无嫩料IX 燃料区图七高温气冷堆球形燃料元件6（高温气冷堆的特点及发展概况，沈苏）燃料组件不仅是核反应发生的场所，还是阻隔放射性物质的第一道屏障。在 压水堆的燃料棒中，98%以上的放射性物质被封锁在二氧化铀陶瓷中。锆合金管 能够耐受很高的温度并封锁反应物。燃料元件由弥散在石墨基体中的包覆颗粒燃 料组成，包覆颗粒燃料直径，中心是直径的核燃料二氧 化铀核芯，核芯外面有2到4层厚度、密度各不相同的热解碳和碳化硅包覆层（见 图七）。清华大学HTR-10采用全陶瓷包覆颗粒球形燃料元件，直径为0.6，中 间直径0.5的球芯是均匀的弥散了燃料包覆颗粒的石墨基体，每个燃料元件球中 包含

18、约:8300个燃料包覆颗粒。由于采用全陶瓷包覆燃料元件，其破损外溢放射 性的可能性极低。经过实验证明，包覆燃料颗粒破损温度为2100度，这一温度 不仅大大超过高温堆运行工况下的最高温度1047度，也大大超过事故工况下的 最高温度，即：这种元件即使在事故条件下，也不会发生放射性物质外泄、危 害公众和环境安全的情况。6未来燃料元件的安全性将会不断提高，以保证在事故工况下仍能有效的阻隔 放射性物质。3.2安全壳安全壳是核岛的最外层屏障，不仅要防止内部的放射性物质扩散以及承受堆 心融毁时的高温，还要能承受外部攻击，如地震、海啸、武器、飞机撞击等等， 安全壳必须有足够的强度。所以安全壳的修筑工艺至关重要

19、。混凝土的浇灌、钢 结构的加工和预埋等等。目前绝大对数安全壳都由两层高进混凝土构成。美国西 屋公司的AP1000首创了全钢的外层安全壳，同时在安全壳上还有一个水箱，这 种结构可以让安全壳参与热交换，用空气带走反应堆中的余热。水箱可在紧急情 况下向两层安全壳之间注水降温。图八AP1000结构图第四章民用核电能源转化过程科学问题分析4.1质能方程E=mc2物体的质量是它所含能量的一种度量，如果能量改变了，其质量也就改变了； 如果物体以辐射的形式放出能量，那么辐射就在发射体与吸收体之间传递着质 量；如果一个物体以辐射形式释放能量E，那么其质量减少E/c2。推导过程如 下：当外力作用在静止质量为小口的

20、自由质点上时，质点每经历位移土，其动能的 增量是二山，如果外力与位移同方向，则上式成为二卜*，设外力作用于质点的时间为心，则质点在外力冲量1心作用下，其动量增量是孙二山，_ dsv -考虑到二再，有上两式相除，即得质点的速度表达式为，亦即山土二“E二-:-，根据洛伦兹变换，得质量的变换公式为m=-履一旨，两边平方得i,对速度求导：得必（-叫）耻Fdvdv注意到等式右边为0，即上式可化为撰仃-菁）命n 鸟ffi :F （C - V ） = 0dv dv v f-2vm2 + 2hi （c2 - v2）- = 0 f dvtnvdv = （c2 - v2dm代入上式得dEk = c2cfmo上式说明，当质点的速度V增大时，其质量m和动能Ek都在增加，质量的增量dm和动能的增量彩二之间始终保持力二二所示的量值上的正比关系。当厂二口时，质量小二心，动能，二1：据此，将上式积分，即得rmE止二c2rfm = me2 - c2上式是相对论中的动能表达式。爱因斯坦在这里引入了经典力学中从未有过的独 特见解，他把心厂叫做物体的静