新能源概论课件

1、第八章 核能概述原子核物理基础核反应堆及核燃料核能利用技术8-18-28-38-4核废物处理与核安全核能利用发展现状和趋势8-58-6第八章 核能概述原子核物理基础核反应堆及核燃料核能利用技术8-1 概述核能的应用历史1海洋的核资源2月球的核应用38-1 概述核能的应用历史1海洋的核资源2月球的核应用3核能：通过质量转化而从原子核中释放的能量二次世界大战原子弹放射性物质的标志核能：通过质量转化而从原子核中释放的能量二次世界大战原子弹放1.核能的应用历史1895：伦琴（德）X射线 （1901 第一届诺贝尔物理奖）1896：贝克勒尔（法）天然放射性现象 （1903年诺贝尔物理奖）1898：玛丽居里

2、（法）镭 （1903年诺贝尔物理奖，1911年诺贝尔化学奖）1897：汤姆逊（英）电子 1.核能的应用历史1895：伦琴（德）X射线1896：贝1.核能的应用历史1914：卢瑟福（英）发现质子 卢瑟福用粒子轰击氮原子核，得到氧原子核和氢原子核，首次实现人工核反应。1.核能的应用历史1914：卢瑟福（英）发现质子卢瑟福用1.核能的应用历史1932：查德威克（英）发现中子1938：哈恩（德）用中子轰击铀原子核，出现的新元素与铀相距甚远。这是首次发现重原子核裂变现象1.核能的应用历史1932：查德威克（英）发现中子1931.核能的应用历史1942年12月2日美国加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆

3、 1945年8月6日和9日美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎1945年之前，人类在核能利用领域只涉及物理变化和化学变化，1945年之后，人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。1.核能的应用历史1942年12月2日美国加哥大学成功启动了2.海洋的核资源类型含量可用时间铀相当陆地储量的几千倍几万年氘含有几亿千克氘上百亿年锂储量约为2.51011吨重水含有21014吨2.海洋的核资源类型含量可用时间铀相当陆地储量的几千倍几万年3.月球的核应用月球有大量的氦3大约5亿吨使用上千年3.月球的核应用月球有大量的氦3大约5亿吨使用上千年8-2 原子核物理基础原子核物理基础理论1核裂变2核

4、聚变3核衰变48-2 原子核物理基础原子核物理基础理论1核裂变2核聚变31.原子核物理基础理论基本定义：1.原子是由位于中心的原子核和围绕原子核运动的若干电子组成，原子核由质子和中子组成，统称为核子，电子质量只有核子1/1840，原子质量几乎全部集中在原子核上。1.原子核物理基础理论基本定义：1.原子是由位于中心的原子核8-2-2 原子核物理基础理论2.原子核内质子和中子总数，称为核子数，或质量数，用A表示。3.原子核的质子数或核外电子数决定了元素化学性质，称为元素原子序数，用Z表示。4.原子序数相同而质量数(核子数)A不同元素，称为同位素。8-2-2 原子核物理基础理论2.原子核内质子和中子

5、总数，8-2-2 原子核物理基础理论5.能量计算：原子核的结合能是由质量转化为能量的。实际测得：原子质量质子质量+中子质量+电子质量质量亏损结合能 8-2-2 原子核物理基础理论5.能量计算：原子核的结合能8-2-2 原子核物理基础理论6.原子核的平均结合能是指原子核的结合能除以组 成原子核的核子数A大部分原子核平均结合能在78.5MeV之间轻核和重核均具有较小的平均结合能（轻核与重核的划分界限是铁，大于56为重核，小于56为轻核）8-2-2 原子核物理基础理论6.原子核的平均结合能是指原8-2-2 原子核物理基础理论核能释放方式三种方式核裂变核聚变核衰变8-2-2 原子核物理基础理论核能释放

6、方式三种方式核裂变核2.核裂变 核裂变（nuclear fission）是重核分裂为中等核的过程。第一代核武器和现代核电站都依赖于裂变过程而产生能量。中子U-235U-235分裂分裂碎片分裂碎片中子中子中子射线千万分之一秒內U-235分裂U-235分裂2.核裂变 核裂变（nuclear fission）是重核分2.核裂变铀裂变的方程式：发生裂变时，裂变反应的直接(瞬发)产物，如反应：氙和锶称为裂变碎片，它们和它们的衰变产物称为裂变产物2.核裂变铀裂变的方程式：发生裂变时，裂变反应的直接(瞬发)2.核裂变 裂变时会形成60余种不同的碎片，而这些碎片通过衰变产生约250种不同的核素的裂片产物。裂变

7、碎片的质量分布图1.曲线呈现两个明显的峰，分别位于质量数为95和140附近2.分裂成质量数恰好相等的两半的概率很小，大约只占0.01%注意：裂片碎片会发生一系列的衰变，具有很强的放射性，主要是射线和射线，其中有些核素半衰期较长，给核燃料后处理带来困难2.核裂变 裂变时会形成60余种不同的碎片3.核聚变核聚变(nuclear fusion) 由两个或多个轻核聚合形成较重核的过程。热核武器就是以聚变反应为基础的核武器。氘氚中子14.1MeV氦-43.5MeV3.核聚变核聚变(nuclear fusion) 由两个或多3.核聚变3.核聚变3.核聚变“第一代”聚变：氘氚聚变，燃料便宜，产生中子。“第二

8、代”聚变:氘和氦3反应。不产生中子，或者产生非常少量的中子。“第三代”聚变:让氦3跟氦3反应。完全不产生中子，称为终极聚变。3.核聚变“第一代”聚变：氘氚聚变，燃料便宜，产生中子。“第3.核聚变劳逊条件：等离子体密度和约束时间的乘积必须大于某一值，热核反应才能持续进行。反应堆类型最低温度/K等离子体密度/(个cm-3)最少约束时间/s劳逊条件/(s个cm-3)氘-氚反应108101410160.0111014氘-氘反应51080.210140.2101655001016表8-2 可控核聚变反应堆需要满足的基本条件3.核聚变劳逊条件：等离子体密度和约束时间的乘积必须大于某一可控核聚变方式超声波核

9、聚变激光约束核聚变磁约束核聚变3.核聚变可控核聚变方式超声波核聚变激光约束核聚变磁约束核聚变3.核聚4.核衰变核衰变过程中放射性放出的三种射线射线射线射线4.核衰变核衰变过程中放射性放出的三种射线射线射线射线类型实质特点射线带正电荷的氦核电离作用最强穿透本领很小射线带负电荷的高速电子流电离作用弱穿透本领强射线波长短，频率高的电磁波电离作用最弱穿透本领最强4.核衰变类型实质特点射线带正电荷的氦核电离作用最强射线带负电荷的8-3 核反应堆及核燃料核反应堆1核燃料28-3 核反应堆及核燃料核反应堆1核燃料21.核反应堆核反应堆：装配了铀或钚等核燃料，使得在无需补加中子源的条件下，实现大规模可控制的自

10、持式核裂变链式反应并释放能量的装置。1.核反应堆核反应堆：装配了铀或钚等核燃料，使得在无需补加中1.核反应堆1.核反应堆的类型用途燃料类型冷却剂慢化剂热工状态研究堆，生产堆，目的堆，发电堆，推进堆天然气铀堆、浓缩铀堆、钍堆水冷堆、气冷堆、有机液冷堆、液态金属冷堆石墨堆、重水堆、压水堆、沸水堆、有机堆、熔盐堆、铍堆沸腾堆、非沸腾堆、压水堆1.核反应堆1.核反应堆的类型用途燃料类型冷却剂慢化剂热工状1.核反应堆2.核反应堆的工作原理1.核反应堆2.核反应堆的工作原理1.核反应堆核反应堆结构核燃料防护装置控制设施慢化剂热载体1.核反应堆核反应堆结构核燃料防护装置控制设施慢化剂热载体1.核反应堆3.核

11、反应堆的核心组件慢化剂。用石墨、重水或普通水（用于减小中子的速度）。控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）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）屏蔽层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。1.核反应堆3.核反应堆的核心组件慢化剂。用石墨、重水或普通水管铀棒控制棒石墨水泥防护层减速剂 核原料 冷却剂 热交换 控制反应速度 防 辐 射 快中子 慢中子 吸收慢中子 核反应堆水管铀棒控制棒石墨水泥防护层减速剂 核原料 冷却剂 热1.核反应堆4.核反应堆分代标志第一代GEN-I第二代GEN-技术成熟的商业堆，目前在运的核电站绝大部分属于第二代核电站第三代GE

12、N-第四代GEN-核电站是早期的原型堆电站先进的轻水堆核电站，第三代核电站采用标准化、最佳化设计和安全性更高的非能动安全系统。待开发的核电站1.核反应堆4.核反应堆分代标志第一代第二代技术成熟的商业堆1.核反应堆发电供热AB裂变中子D核动力C5.核反应堆的用途1.核反应堆发电供热AB裂变中子D核动力C5.核反应堆的用途1.核反应堆（1）核能供热：一项新技术，是一种经济、安全、清洁的热源，因而在世界上受到广泛重视。1.核反应堆（1）核能供热：一项新技术，是一种经济、安全、清1.核反应堆（2）核动力：核能又是一种具有独特优越性的动力。因为它不需要空气助燃，可作为地下、水中和太空缺乏空气环境下的特殊

13、动力；又由于它少耗料、高能量，是一种一次装料后可以长时间供能的特殊动力。1.核反应堆（2）核动力：核能又是一种具有独特优越性的动力。1.核反应堆（3）利用裂变中子：核反应堆的第二大用途就是利用链式裂变反应中放出的大量中子。12中子轰击薄膜材料可以生成极微小的孔洞3中子还可以生产优质半导体材料大量生产各种放射性同位素4中子可以治疗癌症1.核反应堆（3）利用裂变中子：核反应堆的第二大用途就是利用2.核燃料核燃料，是指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。铀235，钚239是能发生核裂变的核燃料，称裂变核燃料氘、氚及氦-3称为聚变核燃料2.核燃料核燃料，是指可在核反应堆中通过核裂变或核

14、聚变产生实 2.核燃料乏燃料裂变核燃料聚变核燃料核燃料 2.核燃料乏燃料裂变核燃料聚变核燃料核燃料燃料形式形态材料适用堆型固体燃料金属U石墨慢化堆合金U-Al快堆U-Mo快堆U-ZrH脉冲堆陶瓷U3Si重水堆(U,Pu)O2快堆(U,Pu)C快堆(U,Pu)N快堆UO2轻水堆、重水堆弥散体金属-金属UAl4-Al重水堆陶瓷-金属UO2-Al重水堆陶瓷-陶瓷(U,Th)O2-(热解石墨，SiC)-石墨高温气冷堆液体燃料水溶液(UO2)SO4-H2O沸水堆悬浊液U3O8-H2O水均匀堆液态金属U-Bi熔盐UF4-LiF-BeF2-ZrF4熔盐堆燃料形式形态材料适用堆型固体燃料金属U石墨慢化堆合金U

15、-Al2.核燃料乏燃料及聚变核燃料乏燃料定义：裂变产物、铀、钚以及稀有锕系核素的混合物聚变核燃料：聚变核燃料包括氘、氚及氦-3注意：虽然核聚变的能量密度甚至比核裂变的还高，且人们已经制造出可以维持数分钟的核聚变反应堆，但将聚变核燃料用作为能源仍只在理论上可行2.核燃料乏燃料及聚变核燃料乏燃料定义：裂变产物、铀、钚以及2.核燃料与包壳材料相容，与冷却剂无强烈的化学作用具有较高的熔点和热导率辐照稳定性好制造容易，再处理简单要求2.核燃料与包壳材料相容，与冷却剂无强烈的化学作用具有较高的2.核燃料回收和重新利用核燃料核燃料的后处理确保环境的安全2.核燃料回收和重新利用核燃料核燃料的后处理确保环境的安

16、全2.核燃料回收和重新利用核燃料的方法：水法过程干法过程以磷酸三丁酯为萃取剂的萃取法过程普雷克斯流程注意：核燃料后处理过程必须将设备置于有厚的重混凝土防护墙的设备室中，进行远距离操作，并且需要采取防止核临界的措施。2.核燃料回收和重新利用核燃料的方法：注意：核燃料后处理过程8-4 核能利用技术核能发电1核武器及核动力2核技术的广泛应用3核能的发展前景48-4 核能利用技术核能发电1核武器及核动力2核技术的广泛核电站是利用核分裂或核融合反应所释放的的能量产生电能的发电厂1.核能发电核岛 NI常规岛 CI核电站是利用核分裂或核融合反应所释放的的能量产生电能的发电厂核能电厂与火力电厂异同出水蒸汽发电

17、机冷却冷凝器进水锅炉核反应器核反应器1.核能发电核能电厂与火力电厂异同出水蒸汽发电机冷却冷凝器进水锅炉核反应1.核能发电一不会污染空气五发电成本稳定二不会排放二氧化碳核电的优点三铀燃料除发电外，无其他用途1.核能发电一不会污染空气五发电成本稳定二不会排放二氧化碳核1.核能发电各国核电应用的状况1.核能发电各国核电应用的状况 美国第一座核电厂建成于1975年12月。近50年来美国总共建成商业核电机组132台，除去已经关闭的28台目前仍在运行的有104台，居世界之最。它们分布在美国的31个州（见图4）美 国1.核能发电 美国第一座核电厂建成于1975年12月。近50年来美日 本在核电堆型选择方面，

18、日本的压水堆和沸水堆核电机组并行发展，两者数量相近。1.核能发电目前日本运行的核电机组有55台日 本在核电堆型选择方面，日本的压水堆和沸水堆核电机组并行英 国英国曾是世界上核电发展领先的国家，但自上世纪70年代起，北海油田大规模产油使其能源供应状况得到改善，加上对核电安全问题的顾虑，英国的核电发展步入冬天。2008年，英国政府发布核能白皮书，宣布重启核电发展。1.核能发电英 国英国曾是世界上核电发展领先的国家，但自上世纪70年代1.核能发电1.核能发电秦山一期（浙江） 30万千瓦机组，是我国自主设计、建造和运营的第一个原型堆核电机组。1.核能发电秦山一期（浙江） 30万千瓦机组，是我国自主设计

19、、建造和运营1.核能发电秦山二期（浙江）我国首座自主建设、自主建造、自主管理、自主运营的2650MW级商用压水堆核电厂。1.核能发电秦山二期（浙江）我国首座自主建设、自主建造、自主1.核能发电秦山三期（浙江）引进加拿大重水堆技术建造的2728MW级重水堆核电厂1.核能发电秦山三期（浙江）引进加拿大重水堆技术建造的271.核能发电大亚湾核电厂（广东） 我国首座2900MW级商用压水堆核电厂。核岛部分采用法国压水堆技术。大亚湾核电厂年发电量约150亿千瓦时，70供香港，30送广东电网。1.核能发电大亚湾核电厂（广东） 我国首座2900MW级商1.核能发电红沿河核电站（辽宁）中国首次一次同意4台百万

20、千瓦级核电机组标准化、规模化建设的核电项目，是东北地区第一个核电站。采用的是在法国技术上改进的压水堆，是目前中国内地应用的最先进的核电技术。1.核能发电红沿河核电站（辽宁）中国首次一次同意4台百万千瓦世界核电机组概况世界核电机组概况2.核武器及核动力核武器是指利用能自持进行核裂变或聚变反应释放的能量，产生爆炸作用，并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称裂变武器（原子弹）聚变武器（氢弹）具有特定功能的核武器（中子弹和小型化核武器）2.核武器及核动力核武器是指利用能自持进行核裂变或聚变反应释2.核武器及核动力不扩散核武器条约1968年，59个国家签署了不扩散核武器条约目前，187规定：只有在1967

21、年1月1日前爆炸核装置的国家，才允许保留核武器。2.核武器及核动力不扩散核武器条约1968年，59个国家2.核武器及核动力核动力是利用可控核反应来获取能量，从而得到动力，热量和电能世界各国军队中的大部分潜艇及航空母舰都以核能为动力2.核武器及核动力核动力是利用可控核反应来获取能量，从而得到3.核技术的广泛应用核技术应用主要有以下几个方面同位素的应用2射线辐照的应用3中子束的应用4离子束的应用5为核能源的开发服务13.核技术的广泛应用核技术应用主要有以下几个方面同位素的应用4.核能的发展前景1核电的经济性能可与火电竞争 2发展核电有利于减轻交通系对燃料运输的负担3以核燃料代替煤和石油，有利于资源

22、的合理利用4.核能的发展前景1核电的经济性能可与火电竞争 2发展核电有8-5 核废物处理与核安全核废物处理1核安全28-5 核废物处理与核安全核废物处理1核安全22.核废物类型1.核废物处理1.核废料：核燃料生产、加工和核反应堆用过的不再需要的并具有放射性的废料物理状态分比活度分固体液体气体高水平中水平低水平比活度：也称为比放射性，指放射源的放射性活度与其质量之比，即单位质量(通常用重量表示)产品中所含某种核素的放射性活度。2.核废物类型1.核废物处理1.核废料：核燃料生产、加工和核1.核废物处理热能释放放射性特征射线危害3.核废物特征1.核废物处理热能释放放射性特征射线危害3.核废物特征1.

23、核废物处理4.核废料管理原则尽量减少不必要的废料产生并开展回收利用对已产生的核废料分类收集分别贮存和处理以稳定的固化体形式贮存以减少放射性核素迁移扩散向环境稀释排放时必须严格遵守有关法规尽量减少容积以节约运输、贮存和处理的费用1.核废物处理4.核废料管理原则尽量减少不必要的废料产生并开1.核废物处理5.处理核废料的必要条件安全、永久地将核废料封闭在一个容器里并保证数万年内不泄露出放射性寻找一处安全、永久存放核废料的地点，例如：花岗岩层、岩盐层以及粘土层1.核废物处理5.处理核废料的必要条件安全、永久地将核废料封1.核废物处理6.废料处理方法国际处理方法海洋陆地一般是先经过冷却、干式储存，然后再

24、将装有核废料的金属罐投入选定海域4000米以下的海底一般是先经过冷却、干式储存，然后再将装有核废料的金属罐深埋于建在地下厚厚岩石层里的核废料处理库中1.核废物处理6.废料处理方法国际处理方法海洋陆地一般是先经1.核废物处理6.废料处理方法中低放射性核废料危害较低，国际上通行的做法是在地面开挖深约1020米的壕沟然后建好各种防辐射工程屏障。高放废料危害较大，世界上公认的最安全可行的方法就是深地质处置方法，即将高放废料保存在地下深处的特殊仓库中永久保存。1.核废物处理6.废料处理方法中低放射性核废料危害较低，国际2.核安全核事故核污染事件-1979年美国三里岛核电站事故2.核安全核事故核污染事件-

25、1979年美国三里岛核电鬼城切尔诺贝利死亡人数：9.3万人致癌人数：23万人经济损失：180亿卢布核污染事件-1986年前苏联切尔诺贝利事故2.核安全鬼城切尔诺贝利死亡人数：9.3万人核污染事件-19862.核安全核污染事件-2011年日本福岛第一核电站事故2.核安全核污染事件-2011年日本福岛第一核电站事故燃料芯块及包壳压力容器钢衬安全壳2.核安全燃料芯块及包壳压力容器钢衬安全壳2.核安全8-5-2 核安全新的核安全技术第三代核反应堆第四代核反应堆三套紧急情况下的柴油发电机附加的紧集核心冷却系统我国核安全政策核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020年远景目标8-5-2 核安全新的核安全技术第三代核反应堆我国核安全政8-6 核能利用发展现状和趋势能源危机与发展核能的必然性1核能的发展历程与开发利用现状2核能的利用对环境造成的影响3核能发展的前景48-6 核能利用发展现状和趋势能源危机与发展核能的必然性11.能源危机与发展核能的必然性2012年BP世界能源统计，截止到2011年底，全世界剩余石油探明可采储量为2343亿吨，2011年世界石油产量为39.96亿吨，即可供开采年限大约58年。煤炭剩余可采储量为8609.38亿吨，可供约200年天然气剩余可采储量为208.42万亿立方米，可供开采