核能介绍PPT课件讲义

第四章新能源技术核能核能原理核反应堆核电站核安全原子弹核能：又称原子能，原子核能。

是由于原子核变化而释放的能量。3第四章核能第一节核能原理不稳定的原子核核力：将核子（质子和中子）保持在原子核中的一种非常强的作用力。一、核能来源*4核力：一种短程作用力。第一节核能原理当核子间相对距离小于原子核半径时，核力非常强大；随核子间距离的增加，核力迅速减小，一旦超出原子核半径，核力很快下降为零。第四章核能质量亏损氦原子核（4He）由2个质子+2个中子构成核子在结合成原子核前后有质量亏损现象。第一节核能原理第四章核能1u=1.6605837×10-27kg爱因斯坦质能方程ΔE=ΔMC2亏损的质量转化为能量ΔE(4He)=ΔM(4He)C2=27.27MeV氦原子核的结合能是27.27MeVM-质量；E-能量；C-光速第一节核能原理第四章核能eV-电子伏特带电量为一个基元电荷的电子通过1V的电场加速后所获得的动能值。1eV=1.6×10-19J总结合能：因核力结合成原子核时所放出的能量称为原子核的总结合能。*7由于各种原子核结合的紧密程度不同，原子核中核子数不同，因此总结合能也会随之变化。结合能比结合能（平均结合能）：单个核子的结合能（总结合能/原子核的核子数）第一节核能原理第四章核能

原子核平均结合能(比结合能)曲线2中等重量的原子核的

比结合能较大。

1各原子核中，比结合

能随质量数而变化。第一节核能原理第四章核能核裂变：又称核分裂，将比结合能比较小的重核设法分裂成两个或多个比结合能大的中等质量的原子核，同时释放出核能。核裂变方式：自发裂变感生裂变重核裂变第一节核能原理第四章核能二、核裂变与核聚变自发裂变：重核本身不稳定造成的，半衰期很长，如纯铀自发裂变的半衰期约45亿年。*10感生裂变：重核受到其他粒子（主要是中子）轰击时裂变成两块质量略有不同的较轻的核，释放出能量和中子。是人们可以加以利用的核能。

铀-235的裂变示意图第一节核能原理第四章核能二、核裂变与核聚变链式裂变反应第一节核能原理第四章核能二、核裂变与核聚变靶原子核中子第一节核能原理第四章核能二、核裂变与核聚变比较:

裂变能n+235U

X+Y+E200MeV

化学能

C+O2

CO2+

E

4ev

汽油与氧的爆炸，一个分子释放40-50eVTNT爆炸自身释放能量，每个分子30eV核裂变1kg铀中的铀核全部发生裂变，释放出的能量相当于2500t的标准煤完全燃烧所放出能量.核裂变燃料TxtText复合核从变形到分裂需要能量，所需的最小能量称为裂变临界能量。入射中子的结合能大于复合核的裂变临界能，则该核易裂变。第一节核能原理第四章核能二、核裂变与核聚变几种核素的临界裂变能靶原子核复合核的临界裂变能(Mev)中子的结合能（Mev）钍-2326.55.1铀-2385.54.9铀-2355.36.4铀-2334.66.6钚-2394.06.4铀-235、钚-239、铀-233通称作核燃料。制成金属、金属合金、氧化物、碳化物等形式作为反应堆的燃料。第一节核能原理第四章核能二、核裂变与核聚变核聚变：将比结合能较小的轻核在一定条件下聚合成一个较重的比结合能较大的原子核，同时释放出能量。*重核裂变轻核聚变超高温较轻的原子核（如氢、氘、氚、锂等）容易释放出聚变能。热核反应第一节核能原理第四章核能核聚变的外部条件：核聚变燃料*16最容易实现的热核反应是氘和氚聚合成氦的反应。氘：储量特别丰富。氘总储量达2×1016t。

加工成本低。氚：从地球上藏量很丰富的锂矿里分离出来。第一节核能原理第四章核能二、核裂变与核聚变1g氘和氚聚变产生的能量相当于8t石油，比1g铀-235裂变时产生的能量要大5倍。

核武器发电核供热，海水淡化核制冷特殊动力17第一节核能原理三、核能开发及应用第四章核能核能应用领域三、核能开发及应用1938年底德国哈恩（OttoHahn）和斯特拉斯曼（F.Strassmann)发现原子核的裂变和核裂变释放出巨大的能量。1939年春法国的约里奥居里(F.JoliotCurie)和美国的意大利人费米(E．Fermi)先后证明铀核在分裂过程中放出2-3个中子，从而确定了持续的链式反应的可能性。人们立即转向原子能的应用研究。第一节核能原理原子能的发现第四章核能原子能的率先应用1939年，美、英、德开展研究原于弹。1942年12月2日芝加哥大学校园里建成了世界上第一座核反应堆，实现了裂变链式反应。人类第一次原子弹试验“漫天奇光异彩有如圣灵逞威，只有一千个太阳才能与其争辉”人类第一次使用原子弹广岛：1945.8.6长崎：1945.8.9第四章核能1945.7.6，美国新墨西哥州二战结束后，美国力图垄断核武器，加紧建设新的核燃料工厂，大量制造、连续试验和不断改进原子弹，同时研制热核武器。1952年美国成功爆炸氢弹。在这期间，苏联、英国、法国相继赶上，建立本国的原了能工业，分别于1949，1952和1960年爆炸了自己的原子弹，后来爆炸了氢弹。中国研制核武器1958年，毛泽东：“搞一点原子弹、氢弹，我看有十年功夫完全可能。”

1964年和1967年成功地进行了原子弹和氢弹试验。第一节核能原理三、核能开发及应用第四章核能大国核武器竞赛实验示范阶段(1946一1965年)核动力军事装置（美国）核飞机：失败告终核潜艇：1955年，成功。美苏对实验堆的探索1957年底，美国建成60MW原型压水堆核电厂，1960年建成了200MW原型沸水堆电厂。苏联于1954年建成第一座5MW实验性石墨沸水堆核电厂，1959年建成采用压水堆的核动力破冰船和核潜艇，1964年建成了100MW原型石墨沸水堆核电厂和265MW原型压水堆核电厂。第一节核能原理三、核能开发及应用第四章核能英、法、加对实验堆的探索英国于1956一1959年建成产钚、发电两用的4x45MW原型天然铀石墨气冷堆核电厂；法国于1962年在单一发电的60MW天然铀石墨气冷堆，1972年建成540MW天然铀石墨气冷堆；加拿大于1962年建成25MW实验性天然铀重水堆核电厂，1967年建成200MW原型重水堆核电厂，为坎杜(CANDU)型核电厂的发展奠定了基础；与此同时，西德、瑞典、捷克斯洛伐克等都建造过不同设计的天然铀重水堆。第一节核能原理三、核能开发及应用第四章核能各国对增殖堆的探索美国于1951年建成200kW的一号实验增殖堆，1964年建成20MW的二号实验增殖堆；苏联于1959年建成5MW的实验快堆，1969年建成12MW实验快堆。英国于1962年建成14MW的实验快堆；法国于1966年建成20MW的实验快堆。

高速推广阶段(1966—1980年)20世纪五六十年代，美国、西欧和日本的经济快速发展，石油在发达国家一次能源消费量中所占份额猛增。各国工业界一方面担心石油供应会跟不上需要，另一方面随着核电技术的发展，核电显示出优越的经济性，1967年美国宣布牡蛎湾核电厂造价仅$140／kW，引起大批订贷。有人提出：大规模采用核能是摆脱过分依赖中东石油的唯一出路。第一节核能原理三、核能开发及应用第四章核能高速推广阶段(1966—1980年)石油危机引发核电高潮法、德、日、瑞典等也借助引进美国技术，建立起自己的轻水堆核电工业体系。第一节核能原理第四章核能三、核能开发及应用苏联除了在国内成批建造1000MW石墨沸水堆以及440MW和1000MW压水堆核电厂，还把440MW压水堆核电厂附带浓缩铀燃料出口到东欧各国、古巴和芬兰。西欧各国注意解决浓缩铀的自主供应问题。在20世纪70年代结束了美国三十多年来对浓缩铀的垄断。发展中国家从发达国家购入核电厂，同时引进技术。考虑到浓缩铀供应的障碍，印度、巴基斯坦、阿根廷、罗马尼亚等国相继采用加拿大坎杜型天然铀重水堆，印度已成功地建立起本国的小型重水堆核电和核燃料工业体系。滞缓发展阶段(1981-2003)1973年、1979年两次石油危机，世界经济发展减缓，电力需求大幅

度下降。造价高的核电厂的呆滞损失比火电大得多，从20世纪80年代中期起石油和煤产量过剩，价格持续低落，核电竞

争力减弱。第一节核能原理第四章核能1979年3月，美国发生了三里岛核电厂事故。美国核安全监管委员会加强了对核电厂的安全管理，不但严格控制新许可证的发放，而且对原有核电厂的设备和规程提出许多修改要求。1986年4月，苏联又发生了切尔诺贝利核电厂事故。造成严重的人员伤亡、大面积环境污染和大量人员迁移，格外加重了人们的担心。三、核能开发及应用滞缓发展阶段(1981-2003)第一节核能原理第四章核能三里岛核电厂事故三、核能开发及应用1979年发生于美国三里岛核电厂。由于设备故障和人员误操作，使堆芯冷却条件严重恶化，2/3堆芯熔化，50％的气态裂变产物从燃料中释放出来进入安全壳，碘和铯绝大部分溶解于安全壳内的水中，氪和氙则存留在安全壳内的空气中。由于人员误操作，造成一部分气态裂变产物经通风系统和烟囱排入大气。由于安全壳的良好屏障作用，事故后大气中放射性最大浓度为1.2Bq/m3，仅相当于安全标准的0.5％；附近居民受到的最大个人剂量不超过1mSv；只有3名电厂职工受到略超过年规定限值50mSv，。事故对公众未造成任何辐射伤害，对环境的影响微不足道第一节核能原理第四章核能三、核能开发及应用切尔诺贝利核电厂事故1986年，切尔诺贝利核电站4号石墨沸水堆故障。原因：设计缺陷与违规操作。瞬发超临界导致功率剧增，堆芯熔化，熔融的燃料碎粒与冷却剂剧烈化学反应引起蒸汽爆炸和氢气爆炸，石墨燃烧，主回路系统和反应堆厂房被破坏，大量放射性物质逸入大气，爆炸碎片飞落到厂房上面引起多处起火。整个北半球受到气载放射性不同程度的污染，在核电厂周围沉降最多的现属于白俄罗斯、乌克兰和俄罗斯的约3万平方公里。现场消防人员和厂内职工有几十人受到可能致死剂量的照射，有31入在数周内急性死亡。有237人得急性放射病。参加事故应急处理的清理人员20万人，平均每人接受辐射剂量约100mSv(少数达500mSv)；从30km半径范围内撤离的居民13.5万人，平均每人接受辐射剂量10-20mSv，远高于公众的规定限值1mSv／a。中国核电的发展1964年原子弹、1967年氢弹、1971年第一艘核潜艇之后．也立即转入核电的研究和设计。1973年决定兴建第一座300MW压水堆原型核电厂，至1983年在秦山施工。1984年决定与香港合营建设大亚湾2x900MW压水堆商用核电厂，引进了法、英两国厂商的成套核电设备，1994年建成。1992年向巴基斯坦出口核电厂并顺利地建成投产，它的核燃料组件全由中国提供，设备由中国生产。第一节核能原理第四章核能三、核能开发及应用2004年：国家发改委做出了调整国家核电发展政策，由原来的适度发展，转为积极推进。2006年3月22日，国务院常务会议审议并通过《核电中长期发展规划（2005-2020年）》。主要国家核电统计国家机组数占总发电量比例美国10420%法国5978%英国3522%俄罗斯3117%中国大陆92%日本5434%第一节核能原理三、核能开发及应用第四章核能名称堆型功率（MW）运行时间秦山ⅠPWR1X3001993大亚湾PWR2X9001994秦山ⅡPWR2X6002002:2004秦山ⅢPHWR2X7282002:2003岭澳ⅠPWR2X10002002:2003田湾PWR2X6002006:2007第四章核能中国大陆核电厂第一节核能原理三、核能开发及应用通常以铀或钚作核燃料，可控地进行链式裂变反应，并持续不断地将裂变能量带出作功的一种特殊的原子锅炉。实现大规模可控核裂变链式反应的装置称为核裂变反应堆。第二节核反应堆第四章核能核裂变反应堆1.按用途①生产堆②动力堆③试验堆④供热堆一、核裂变反应堆分类第四章核能第二节核反应堆2.按所采用冷却剂①水冷堆②气冷堆（氦）③有机介质堆④液态金属冷却堆（液钠）3.按所采用的慢化剂①石墨堆②轻水堆③重水堆4.按所采用的核燃料①天然铀堆②浓缩铀堆③钚堆5.按中子的能量分①热中子堆（0.025eV-0.1eV)②快中子堆(＞1MeV)6.按核燃料的分布分①均匀堆②非均匀堆二、核裂变反应堆的组成

第四章核能第二节核反应堆反应堆的合理结构：核燃料、慢化剂、冷却剂、控制设施、防护装置、辐射监测系统等组成。1.核燃料第四章核能第二节核反应堆二、核裂变反应堆的组成

在反应堆内能使核裂变反应自持的易裂变物质。将燃料、冷却剂和慢化剂溶在一起第四章核能第二节核反应堆二、核裂变反应堆的组成

1.核燃料金属型燃料导热性好，但使用温度低于450oC，主要用于实验堆、英国气冷堆。陶瓷型燃料二氧化物UO2、碳化物UC、氮化物UN等，它们具有高的工作温度，与与冷却剂及包壳材料的相容性好，但密度低、导热性能差、易脆化。弥散型燃料目的：改善燃料性能。方法：将燃料颗粒弥散分布在导热性好的基体中。(1)将陶瓷燃料(UO2)粉末或金属间化合物粉末等弥散在金属基体内；(2)用热解碳和碳化硅包覆氧化物或碳化物的涂层颗粒燃料，再将这些颗粒燃料弥散在石墨体内用途：作为高温堆燃料。裂变物质含量低，故需采用高浓度核原料。1.核燃料二、核裂变反应堆的组成

燃料组件锆包壳燃料芯块燃料芯块燃料棒核燃料组件两面浅碟形防裂变产物污染回路水，及防止核燃料与冷却剂接触。芯块与包壳间有空隙又称中子减速剂。增加中子与裂变原子核的碰撞几率。对慢化剂核性能的要求：①在慢化剂的原子核与中子的每次碰撞中，使中子损失的能量越多越好。（慢化能力强）②慢化剂对中子的散射截面要大。这样，中子与慢化剂核的碰撞几率高。③慢化剂的中子吸收截面要小。这样，可使慢化剂俘获的中子少，使更多的热中子参与裂变反应。二、核裂变反应堆的组成

2.慢化剂○轻水（H2O）：慢化能力强，价格低廉，但吸收截面较大，对金属有腐蚀作用，易发生辐射分解。○重水（氘，D2O）：吸收截面小，并可发生反应而为链式反应提供中子；缺点是价格昂贵，还要细心防止泄漏损失、污染等。○石墨：吸收截面低于重水，且价格便宜，又是耐高温材料，可用于非氧化气氛的高温堆中。二、核裂变反应堆的组成

2.慢化剂○铍：慢化能力比石墨大、高温强度好、熔点、热导率、比热都比较高，适用于高温反应堆。缺点：较脆、难于加工、抗辐照性能差，且铍有毒、价格贵。○氧化铍：中子吸收截面小、慢化能力大、熔点高，具有良好的化学稳定性，可用于高温液态金属反应堆和高温气冷堆。缺点：难于加工。导出裂变反应热。常用冷却剂：水，重水，气体（氦），液钠。4.控制材料中子的强吸收体。常用的控制材料：铪、镉、银-铟-镉、硼及钐等稀土元素。3.冷却剂二、核裂变反应堆的组成

正常停堆以及紧急停堆时，控制棒插入反应堆芯，称为安全棒。通过驱动机构调节控制棒插入燃料组件的深度，控制反应堆的反应。对中子的吸收截面大，散射截面小。寿命长应用广控制棒？目的堆外围保护人员和设备免受放射线伤害的核反应堆材料。中子和γ射线（裂变过程），α、β粒子（裂变产物衰变）。

原子序数大、密度高的材料常用作屏蔽γ射线，如钢、铅、普通混凝土和重混凝土等；原子序数小，密度低的材料用于屏蔽中子。如石墨、石蜡和轻水等。加入含硼物质吸收能力更大。5.屏蔽材料二、核裂变反应堆的组成

6.安全壳防止裂变产物释放到周围的最后一道屏障。且能抵御外部破坏。

钢筋混凝土制成的圆柱形建筑，内衬钢板。核反应堆结构图42核聚变装置核聚变原理随温度的升高，物质从固态变为液态再到气态。气态的物质继续加热变成等离子状态，等离子体被加热到108以上。就会发生轻原子核转为重原子核的核聚变反应。

第四章核能第二节核反应堆1.如何把等离子体加热到108以上；由完全带正电的原子核(离子)和带负电的电子构成的高度电离的气体称为等离子体。2.对气体的束缚，材料问题；3.需长时间高温，并提高约束能量的能力。技术问题：核聚变装置第四章核能第二节核反应堆劳逊条件等离子体的密度和约束时间的乘积必须大于某一数值，热核反应才能持续进行。聚变反应的难点在极高温度下，长时间约束等离子体，维持反应实现聚变的三种途径引力约束磁场约束惯性约束核聚变装置1.托卡马克装置磁约束：沿环形磁场通电流，加以与之垂直的磁场，使高温等离子体在磁场的约束下，不与器壁接触而作螺旋运动并被加热压缩成细柱状，使之进行核聚变反应。托卡马克聚变试验反应器（TFTR） 第四章核能第二节核反应堆环形结构；磁约束2.高能激光聚变装置惯性约束：高功率激光束（粒子束）均匀辐照氘氚等核燃料组成的微型靶丸，极短时间内靶丸表面发生电离核消融而形成包围靶心的等离子体。等离子体膨胀爆炸产生的反作用力产生高压使氘氚等离子体到极高温度和极高压力，引起核聚变。核聚变装置第四章核能第二节核反应堆中国科学院等离子体物理研究所HT—7超导托卡马克实验组的物理学家和工程技术人员团结奋战，在2001年冬季实验中创造了一系列举世瞩目的研究成果，使HT—7超导托卡马克的研究全面步入世界磁约束核聚变研究的前列，成为世界上仅有的两套高参数稳态条件下开展等离子体物理研究的实验装置之一。我国步入核聚变世界前沿核裂变与核聚变1.核聚变能源充足，聚变能更大。氘的总储量可使用上百亿年，氚也可使用上千万年。加工成本更低。聚变能约为裂变能的5倍。2.核聚变更为安全。等离子冷却快，不产生长寿命的高放射性废物。3.核裂变技术更为成熟。利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。4.3核电站

4.3核电站

常用的反应堆:轻水堆（压水堆、沸水堆）、重水堆、气冷堆以及快中子增殖反应堆等。应用最广泛的是压水反应堆。(核电总容量的60%以上)52压水堆核电站以压水堆为热源的核电站。普通水（轻水）在反应堆中既作冷却剂又作慢化剂。反应堆中的压力较高，冷却剂水的出口温度低于相应压力下的饱和温度，不会沸腾。压水堆核电站流程示意图反应堆蒸汽发生器稳压器汽轮机发电机核蒸汽供应系统，一回路系统汽轮发电系统，二回路系统主泵核岛常规岛反应堆堆芯内的水沸腾，送往汽轮机发电。沸水堆核电站普通水做慢化剂和冷却剂。无二回路系统。没有蒸汽发生器和稳压器重水反应堆核电站氧化氘为慢化剂和冷却剂优点：重水的慢化能力仅次于轻水，但它吸收热中子的几率不及轻水的两百分之一。采用天然铀作为核燃料，成本低后处理，操作费用低缺点：重水堆的堆芯体积比压水堆大十倍左右。重水的费用约占重水堆基建投资的六分之一以上。要求能不停堆装卸核燃料。坎杜型重水堆一回路流程加拿大是世界上发展重水堆核电站的主要国家。20世纪50年代开始开发坎杜型重水堆核电站。目前坎杜堆电站在技术上已达到完全成熟的程度，其经济性、安全性和、机组性能已可以和轻水堆电站相媲美。加拿大建有25个坎杜堆核电机组。近年来出口韩国、印度等多个国家。我国秦山三期核电站进口了两台坎杜型核电机组。重水堆核电站的发展重水反应堆核电站高温气冷反应堆气体（氦）作为冷却剂，石墨为慢化剂优点：不会发生相变，工作温度高缺点：为了提高气体的密度及导热能力，需要加压。核燃料：浓缩度为90％以上的二氧化铀或碳化铀。快中子增殖反应堆钚239（二氧化钚）为堆芯。铀238为增殖原料，包围在堆芯周围，无慢化剂