核反应堆物理基础

核反应堆物理分析基础主讲教师：王锋电话子邮箱：wangfeng@1/11/20231课程名称：核反应堆物理分析

适用对象：限过必修课，高年级本科生

课内学时：64学时，2学分

要求先修课程：传热学、工程热力学、流体力学、

原子核物理、辐射防护等相关课程

使用教材及参考书：

吴宏春主编，《核反应堆物理分析》，原子能出版社，2003年。1/11/20232教学目的和要求

1/11/20233教学大纲教学目的和要求课程内容、进度和学时分配教学和考核方法教学内容及要求

实践环节1/11/20234课程内容、进度和学时分配

第1章（8学时）第2章（8学时）第3章（8学时）第4章（8学时）第5章（6学时）第6章（8学时）第7章（6学时）第8章（8学时）第9章（6学时）1/11/20235教学和考核方法以课堂教学和课上交流为主要的教学方式。鼓励学生通过独立完成一个反应堆物理分析项目代替部分考试。平时成绩占30%，期末笔试成绩占70%。1/11/20236第一章绪论1.1世界核电发展概况1.2中国核电发展概况1.3核反应堆分类1.4反应堆物理分析的目的和任务1.5核反应堆物理基础1.6核电站的安全性1/11/20237*世界能源状况及其特点能源是提供能量的自然资源，是人类生存和发展的重要资源。关系国计民生并具有重要战略意义。一次能源，自然界中现成存在的，并可直接取得能源。二次能源，由一次能源通过加工，转换成的另外一种形态的能源。可再生能源，在自然界中可以再生并有规律的得到补充的能源。不可再生能源，经过千百万年形成，短期内无法得到恢复补充的能源。常规能源，新能源能量利用转换的一般过程1/11/20238三次能源演变：18世纪60年代产业革命：煤替代木柴，19世纪中叶，煤占主导地位；上世纪20年代开始，随着石油工业的发展，世界能源从煤炭转向石油和天然气，至60年代石油天然气占主导地位；70年代以来的两次能源危机开始动摇了石油的支配地位，世纪之交，能源结构正在经历第三次转变：以石油为中心的能源体系开始向以煤、核能和其它可再生能源等多种能源结构的转变。1/11/20239世界能源特点目前全世界能源总消费量约为130亿吨标准煤，化石能源占85%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煤、石油、天然气三大资源。美国能源部对世界常规石油产量高峰值的预测显示：本世纪中叶，石油产量达到高峰值，然后逐渐下降。矿石能源利用率低，而且对生态环境造成严重的污染。1/11/2023101/11/202311矿石能源的污染问题大量有机燃料的消耗给自然生态环境带来了严重污染。有机能源在燃烧过程中会产生大量的污染物质，其主要的污染物质有NOX、SO2、CO、CO2、有害烟尘等，这些污染物将对人类造成很大的危害。在所有污染物中，对人体危害较大的无机气体主要有NOX、SO2、CO等。百万千瓦级的燃煤电厂每天燃烧8000t优质煤，向大气排放出300多吨有害物质。1997年，全国烟尘排放总量为1873万吨，SO2排放总量为2346万吨，而其中主要来源于锅炉内煤的燃烧（约占31%）。据资料统计表明：火电厂排放的二氧化硫占全国工业污染的30%以上，到2015年该比例将上升50%左右，烟尘排放量占全国烟尘排放量。可持续发展战略：尽量减少污染物的排放总量，保护环境和自然资源，维持人类与环境协调发展。

1/11/202312我国能源结构特点与世界能源状况相比，我国能源有其特殊的矛盾和特点：能源结构上：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70％，电力能源结构以煤为主，煤电占发电总量的77％。能源区域分布与工业布局不平衡，而且相反。我国的煤炭和水力资源分布不均匀，煤炭资源多在华此地区，水力资源多在西南地区。而我国的工业和人口集中在华东、华南和东北地区。这些地区经济的发展需要大量电力。1/11/2023131/11/202314解决途径北煤南运－－运输量十分巨大，经济上也不合理。一座100万千瓦的火电厂，每年要烧掉约330万吨煤，要用许多列火车来运输。西电东送－－技术上难度大，经济上代价高。在水力资源丰富的西南地区建水电站有许多困难，而远距离送电损耗可观，经济上不合算。发展核电－－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。我国发展核工业也已有30多年，建立了从地质勘查、采矿到元件加工、后处理的比较完整的燃料循环体系，探明有一定储量的铀矿资源，已建成多种类型的核反应堆并有多年安全管理和运行经验，拥有一支专业齐全的技术队伍。泰山核电厂就是由我国自己研究设计建造的。1/11/2023151/11/202316未来50年我国石油产量预测（翁氏模型法）全国石油产量高峰约1.7-2.1亿吨，将出现在2010-2020年间2050年以前全国石油年产量可保持在1亿吨以上1/11/2023171.1世界核电发展概况自1954年前苏联建成世界上首座5000KW试验性原子能电站以来，人类对核能的商业利用实践已经走过了半个多世纪。期间，经历了1970年代的快速发展时期，以及因三里岛和切尔诺贝利核电站事故所引发的1980年代的缓慢增长期。迄今，切尔诺贝利事故已经过去了整整20年，在这段时间里世界400多座核电站机组又积累了8000多堆年的运行经验，且无重大事故发生。这表明核电站改进措施已见成效，核电安全性和经济性均有所提高。但是，公众和用户对核电产业发展仍然心存余悸。世界核能产业就是在希望与疑虑的矛盾中缓慢但稳步发展。1/11/202318世界核电发展的几个个阶段1954－1960试验阶段1961－1969实用化阶段1969－上世纪70年代末：大发展阶段上世纪80年代－上世纪末：低潮阶段

1979年美国三哩岛（TMI）事故

1986年前苏切尔诺贝利事故这个阶段，核能仍在持续增长，而且是各种能源中增长速度最快的。同时在法国，日本，韩国，中国等国家，这个阶段仍坚持发展核电。本世纪初：美国、德国等国家重新修正自己的核电方针，布什政府提出了核电复苏计划，发展中国家也在积极准备筹建核电站，核能在本世纪必将大放异彩。1/11/2023191.1.1核电稳步增长核能是很多国家的主要电力来源。来自国际原子能机构的数据显示(表1.1.1)，到2007年1月，世界各地有435座动力堆在运行。在这些在役的反应堆中美国有103个、法国59个，日本55个、俄罗斯31个、英国19个，仅这5个国家就占全球在役反应堆的60%以上。表1.1.1

截至2007年3月全球运行中和在建的核反应堆一览表1/11/202320注(1).该栏数据截至日期为2005年12月31日。来源：IAEA（国际原子能机构）数据汇总1/11/2023212000年核电在各国发电量中的比重1/11/202322在建和运行中的核电机组1/11/2023231/11/202324从正在运行的核电机组数来看，运行机组数较多的有：美国104台，法国58台，日本53台，英国35台，俄罗斯29台，德国20台，乌克兰16台，韩国15台，加拿大14台，瑞典12台，印度10台。同时可以看出：西欧和北美国家核电发展停滞衰退。亚洲和东欧的一些国家核电进一步发展。2000年美国和加拿大正在运行中的核电机组数量略有减少，为118座（它们提供了美国20％、加拿大12％的电力）。不过最近有消息表明，美国在20多年内没上新的核电项目后，近期又开始重新考虑建设新的核电厂问题。西欧有150座核电机组正在运行中，预计今后几年将维持在这个水平上。中、东欧目前共有39座核电机组，还有几座新建的核电机组将要完工；俄罗斯联邦已有29座在役的核电机组和3座在建的核电机组，还计划在圣彼得堡附近再建若干座1500MW的核电厂。中东、远东和南亚地区现有94座核电机组，而中国、印度、韩国和日本已经明确计划要扩大核发电能力。1/11/2023251/11/2023261.1.2核电反应堆以轻水堆为主核反应堆是核电厂的心脏，核裂变链式反应在其中进行。反应堆的类型繁多，有不同的分类标准，如按中子能量、冷却剂和慢化剂、堆芯结构，以及用途进行分类（表1.1.2）。其中，在核电工业中更多地是按照冷却剂和慢化剂分类进行分类。轻水堆、重水堆、石墨堆是工业上成熟的主要发电堆。轻水反应堆是目前技术最成熟、应用最广泛的堆型。其优点是体积小，结构和运行都比较简单，功率密度高，单堆功率大，造价也低廉。建造周期短和安全可靠。它的缺点是轻水吸引中子的几率比重水和石墨大，因此仅用天然铀（天然铀浓度非常小）无法维持链式反应，需要将天然铀浓缩，浓缩度在3%左右，称作低浓铀。目前采用轻水堆的国家，在核燃料供应上大多依赖美国和独联体。此外，轻水堆对天然铀的利用率低，仅为33%，如果系列地发展轻水堆要比系列地发展重水堆多用天然铀50%以上。尽管如此，目前轻水堆在反应堆中仍占统治地位。目前，全球正在运行的以及在建的核反应堆中，大部分是轻水反应堆，占所有反应堆的85%以上。1/11/202327表1.1.2

核反应堆的分类1/11/202328资料来源：“核反应堆简介”，现代物理知识，17(2):131/11/2023291.1.3核电站退役问题得到高度重视随着核电站运行时间的增加，与核安全相关的核反应堆退役问题在许多国家表现得越来越重要。国际原子能机构就选择退役时间而不是进行许可证更新，以及就退役过程本身提供指导，此外，它还鼓励成员国逐渐交流最佳实践经验。到2007年3月初，在运行的435座反应堆中有100座的运行期已经超过30年。目前的两个基本退役方案是立即拆除和在拆除前长期安全封闭。截至2005年底，世界各地已有8座核电厂已经全部完成退役，17座核电厂已部分拆除并安全关闭，31座核电厂正在实施厂址最终解除监管之前的拆除，而30座核电厂正在进行长期封闭之前的最低程度拆除。而2006年间全球又有6个核电厂长期关闭。迄今，全球已经有119个反应堆关闭，与此相应的发电量为35.165亿瓦。在关闭的反应堆中，以压水堆、气冷堆等反应堆型为主。1/11/2023301.1.4核燃料铀价格持续上涨，但核资源不会成为制约核电开发的瓶颈作为核能生产的主要燃料，天然铀的价格在上世纪80年代呈下降趋势，在90年代则起伏不定，但是自2001年开始，铀的价格持续上升，从2002年的25美元/kg上升到2005年的75美元/kg，5年间上涨三倍以上。铀价格的上涨一方面反映二次资源的耗竭，另一方面反映了核电原材料市场的供需现状。燃料铀的需求主要取决于核电站的设备容量（核能发电量），同时核电站运行寿命的延长和热功率的增加、设备利用率、运行环境与燃耗、天然铀价格和浓缩劳务价格的差额也是重要因素。全球核电站设备容量将随着以中国为主的亚洲地区核电开发的进展，有增加的趋势。国际原子能机构（IEIA）和世界核协会（WNA）等机构根据对中、长期（2020年）核电设备容量的预测，对中、长期铀需求的预测是：73495～86070t(U)（IEAE对2020年的预测）和57700～102500tt(U)（WAN对2005年的预测）。1/11/202331从燃料铀的供给方面来看，目前全球生产铀的国家约为21个，其中加拿大和澳大利亚的生产量几乎占全球的一半，而能够自己供给本国核电站需要的只有加拿大和南非。世界铀生产量（生产能力）从2003年的47260t(U)增加到2005年的51155t(U)。但是，由于现有的铀矿山枯竭而关闭以及铀市场前景不明，铀生产者控制新铀矿山的勘探与开发，预测到2010年，铀的产量将降至43059t(U)，2015年将上升到43612t(U)，2020年又将降到43005t(U)。另外，库存铀、俄罗斯解体核弹头的高浓铀、美国的军用剩余高浓铀、钚、回收铀、再浓缩铀等二次供给源的存在，也是对铀矿山、矿床等生产的铀形成价格上的压力。由此，进一步控制新铀矿山的勘探与开发，再结合核电开发增长的需求，从供需双方面逼迫铀市场价格上涨。1/11/202332然而，从铀资源的角度来看，IAEA按资源存在的准确度将铀资源区分为：确认资源（RAR）、推算追加资源Ⅰ（EAR-Ⅰ）、推算追加资源Ⅱ（EAR-Ⅱ）和期待资源（SR）。而且，按照回收（生产）成本，将生产成本低于40美元/kg（U）的铀资源称为“低成本铀资源”，将低于130美元/kg（U）的铀资源称为“经济的可回收铀资源”。按照2003版REDBOOK，世界已知的铀资源（RAR＋EAR-Ⅰ）中，回收成本低于130美元/kg（U）的铀资源合计为458.9万t(U)；世界未发现的铀资源（EAR-Ⅱ＋SR）合计为974.4万t(U)。而基于回收成本低于130美元/kg（U）的已知铀资源，按燃料循环，从铀资源的可开采年限看（铀资源量/年度铀需要量），（1）以一次通过（直接处置）的轻水堆利用，为85年；（2）仅一次循环钚的轻水堆利用，为100年；（3）轻水堆与快堆（FBR）组合利用，为130年；（4）全部FBR利用，为2550年。再者，如果已知铀资源加上未发现的铀资源（EAR-Ⅱ＋SR），则有：（1）以一次通过的轻水堆利用，为270年；（2）一次循环钚的轻水堆利用，为300年；（3）轻水堆与快堆组合利用，为410年；（4）全部FBR利用，为8500年。因此，可以说铀资源在本世纪不会成为制约核能发电的瓶颈。1/11/202333【参考文献】1．美国能源信息署编著（张军等译），2006，国际能源展望（InternationalEnergyOutlook2005）：未来国际能源市场分析与预测（至2025年）”，科学出版社2．中国科学院，2006.“2006高技术发展报告”，科学出版社3．EnergyInformationAdministration(EIA),2006.“TheAnnualEnergyOutlook2006(AEO2006)”(/)4．http:///1/11/202334我国核电的发展核工业是一个战略性产业，是技术密集型高科技产业，是一个国家综合实力的象征。发展核电还可以带动我国机电、建筑行业的技术进步和管理升级，拉动国民经济发展。在能源紧缺地区建造核电厂，既可替代部分常规能源，也有利于调整地区能源结构，缓解能源工业对环境的影响。大力发展核电事业，是中国和平利用核能的主要途径和内容，也是改革开放以来中国核工业发展的主攻方向和战略目标。（60年代我国成功爆炸原子弹）８０年代初，为解决我国能源问题和发展电力工业，开始自行设计建造秦山核电厂和利用外资、引进国外技术设备和管理经验合作建造大亚湾核电厂。经过１０年的努力，这两座核电厂相继建成并投入商业运营，为缓解广东、浙江等东南沿海地区电力紧张的局面发挥了应有的作用，取得了良好的社会效益和经济效益。1.2中国核电发展概况1/11/202335通过自主建设和引进技术相结合，我国已具备３０0MW核电厂的自主设计和建造的能力，基本掌握６０0MW压水堆核电厂的总体设计、系统设计和大部分设备的制造能力，具备以我为主与国外合作设计1000MW级压水堆核电厂的能力。通过秦山和大亚湾两个核电厂建设和运营的实践，已形成了核电建设和自主运营的条件。我国还建成了完整的核燃料循环体系，为核电发展所必需的铀资源、核燃料立足国内提供了保障。此外，以秦山核电厂为参考电站，我国向巴基斯坦成套出口的恰希玛300MW压水堆商用核电厂，于1993年8月开工，已于2000年7月建成并网发电。

我国核电建设虽然取得了不小的成绩，但从总体上看，还存在着规模偏小、发展偏慢、自主能力偏低、缺乏相对稳定的长远发展规划等不足。我国核电堆型种类偏多，设备自主化和国产化程度低，尚未形成我国自己的标准化、系列化的机组型号，在核电技术研究与开发和自主设计方面与先进核电国家相比还存在较大差距。这种状况有待在今后的发展中逐步予以克服。目前全世界核电装机容量约占电力工业总装机容量的１6％，而我国核电装机总容量600万KW，仅为全国电力装机容量的１－2％，核电在电力工业中所占比重在世界拥有核电的３０多个国家和地区中居末位。我国政府已经将我国核电发展方针由“适当发展核电”提升为“积极发展核电”，明确提出，到2020年我国核电装机容量达到4000万KW，届时核电装机容量占总装机容量的4－5％。1/11/202336

2005年的发电容量总计净增230万千瓦，全年发电量占世界发电量的19.28%，并与全球电力市场稳定增长保持同步。另外，截至2007年3月，全球在建的核反应堆有30个，发电容量将达到24.251亿瓦，其中大多数在亚洲，共有16个（印度7个，中国5个，朝鲜、伊朗、日本和巴基斯坦各1个）。

2005年，至少有15个国家核能发电量占本国发电总量的30%以上，占15～30%的国家有6个，其中法国核电生产量在其电力生产量的份额接近80%。2005年全球并入电网的核电机组有4台，其中日本两台，印度和韩国各一台；同年，加拿大一台闲置的机组重新并入电网。1/11/2023371.2中国核电发展概况（见幻灯片1）1.2.1已建核电项目(1)大亚湾核电站－压水堆（PWR）(2)岭澳一期核电站－压水堆（PWR）(3)秦山核电站（一期）－压水堆（PWR）(4)秦山二期核电站－压水堆（PWR）(5)秦山三期核电站－重水堆（CANDU-6）(6)田湾核电站－压水堆（俄AES-91）1/11/202338秦山一期核电厂1/11/202339秦山三期核电厂1/11/202340大亚湾核电厂厂区1/11/2023411/11/2023421/11/2023431/11/2023441.2.2在建及即将开工核电项目(1)岭澳核电站二期－压水堆（CPR1000）(2)阳江核电站一期－压水堆（CPR1000）(3)台山核电站－压水堆（CPR1000）(4)红沿河核电站一期－压水堆（CPR1000）(5)福建宁德核电站－压水堆（CPR1000）(6)福清核电站－压水堆(7)三门核电站一期－压水堆（AP1000）(8)秦山核电厂扩建项目(方家山核电工程)－压水堆(CPR1000)(9)秦山核电站二期扩建－压水堆（CNP600）(10)山东海阳核电站－压水堆（AP1000）1/11/202345田湾核电厂1/11/202346浙江三门核电厂1/11/2023471.2.3拟建核电项目(1)吉阳核电站一期（安徽）－压水堆(2)芜湖核电站（安徽）－压水堆(3)桂东核电站（广西）－压水堆(4)白龙核电站（广西）－压水堆(5)海南核电（海南）－压水堆(6)大畈核电厂（湖北）－压水堆(7)小墨山/九龙山核电站（湖南）－压水堆(8)桃花江核电站（湖南）－压水堆(9)常德核电站（湖南）－压水堆(10)大唐华银核电厂（湖南）－压水堆(11)三明核电站（福建）(12)漳州核电（福建）(13)吉林核电站（吉林）1/11/202348(14)辽宁第二核电厂（辽宁）－压水堆（CPR1000）(15)徐大堡核电站（辽宁）－压水堆(16)广东第四核电—汕尾的甲东或揭阳的乌屿（广东）(17)广东第五核电—肇庆或韶关（广东）(18)荷包岛核电站（广东）(19)河源核电站（广东）－压水堆(20)阳西核电站（广东）(21)岭澳核电站三期（广东）(22)四川核电站（四川）－压水堆(23)重庆石柱核电厂（重庆）－压水堆(24)江西核电—彭泽帽子山和万安烟家山（江西）(25)石岛湾核电站（山东）－高温气冷堆(26)红石顶核电（山东）(27)田湾核电站二期（江苏）－压水堆（俄AES-91）1/11/2023491/11/202350国内核电投资商中国核工业总公司：成员单位100多家广东核电集团中国电力投资集团公司国内与反应堆工程有关的高校清华大学西安交通大学上海交通大学哈尔滨工程大学南华大学四川大学华北电力大学重庆大学一些学校还在积极筹备成立核相关专业1/11/2023511.3核反应堆分类(见幻灯片2)我们这里讲的核反应堆是利用原子核可控链式裂变反应释放出来的能量进行发电或提供动力的装置。链式裂变反应释放出来的能量首先在燃料元件内转化为热能，然后通过导热、对流和辐射等方式传递给冷却剂。核反应堆根据冷却剂的不同基本上可以分为水冷堆、气冷堆和液态金属冷却堆，本章将介绍各种类型反应堆的基本特征，包括热力循环回路、堆芯设计、燃料组件设计等。表1.3是目前世界上应用的比较广泛的水冷、气冷和液态金属冷却堆的一些基本特征。1/11/202352表1.3各种反应堆的基本特征

堆型中子谱慢化剂冷却剂燃料形态燃料富集度压水堆热中子H2OH2OUO23%左右