核电知识初学者适用

核电知识概述初学者完整了解核电知识当前1页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity一、核能发电的基本原理核电站介绍

目前全世界正在运行的核电站大约440座；核电的发电量占全世界总发电量的16%；中国0.7%，核电站的存在大大缓解了世界能源的紧张问题。核电机组：美国104套，法国59套，日本54套，俄罗斯30套，英国27套，中国8套核电站的优点是：

1.燃料消耗量量少

2.对环境影响小

3.功率大

4.发电成本低。当前2页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity1.燃料消耗量量少“燃烧”

1千克铀-235放出热量19，600，000，000千卡燃烧1千克标准煤放出热量7，000千卡燃烧1升重油放出热量9，900千卡燃烧1立方米天然气放出热量9，800千卡

不难算出，1千克铀-235裂变放出的热量相当于燃烧约2，700吨标准煤。同一质量下，核能比化学能大几百万倍。当前3页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity2.对环境影响小

一座100万千瓦核电厂，一年所烧的燃料只有20～30吨核燃料，而一座100万千瓦的煤电厂，一年要烧掉200～300万吨煤。燃烧的煤每天需要约100节火车皮运输，而同样规模的核电厂，全年使用的燃料只需要几辆卡车运输。

25吨/每年

核燃料煤300万吨/年

煤灰当前4页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity二、核动力的发展历史世界上第一个核反应堆1939年德国人哈恩和史特拉斯曼在用中子轰击铀核企图制取新的超铀元素，意外的发现这一过程会产生一些强的放射性物质，后来经过研究发现是铀-235原子核产生了裂变，裂变后产生两个带有放射性的碎片。

原子核能够裂变这一事实引起了物理界的极大兴趣，后来的研究发现，裂变过程还会发出新的中子从而可以引起进一步的裂变。当前5页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity铀核裂变可产生巨大能量进一步的研究表明：裂变过程可以产生巨大的能量92U235+0n1→

F1+F2+(2~3)

0n1

+200MeV能量这一能量是裂变过程原子核的质量亏损产生的裂变前：一个铀-235核质量为235.124，一个中子质量是1.009，合计236.133；反应后:裂变碎片和中子的质量和是235.918，质量亏损0.215。由爱因斯坦定律：E=M•c2,

光速c=3•108（m/s）这样计算结果每次裂变产生月200MeV的能量当前6页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity第一座核反应堆的诞生

1942年12月2日，在美国芝加哥大学的的一个市内球场里，以物理学家费米领导的研究小组在进行一次历史意义的实验。实验装置有1400多吨石墨块砌成的扁球状体，里面装了41吨天然铀燃料，燃料装在石墨块的预留孔中，这个装置直径7.3米，高6米，由于形状像个堆，所以最初叫做原子堆，后来叫做反应堆，这个名字延续至今。当前7页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity世界第一座核电站

核裂变反应可控并能发出能量这一研究成果很快引起了世界的关注。

1954年6月27日，世界上第一个核电站启动成功，这就是前苏联的“奥布宁斯克”核电站。他的电功率是5000千瓦。当前8页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity核电站发展的几个阶段1、成长和成熟期

上世纪50-60年代，属于核电站的成长发育时期，这一时期建造了各式各样的核电站，反应堆堆型有，压水堆、沸水堆、石墨堆、重水堆、镁诺克斯（Magnox）反应堆。具有代表性的是Shippingport,Dresden,fermil等;这一时期的反应堆称为原型堆，这些核电站成为第一代核电站。这一时期核电的特点是，堆型很多，发电功率不大，技术不太成熟。这一阶段美国共研究了20多种堆型，建造了10多种类型的反应堆，最后确定压水堆和沸水堆最为重点。当前9页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity各种反应堆当前10页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity2、核电大发展时期

在70年代核电站已经商业化，核电经历了快速发展时期。这一时期最有代表性的是美国，1973年，美国核电站总装机容量2520万千瓦，占世界的62%，这一阶段美国每年平均要建10个以上的核电站。这一时期核电站的技术也趋于成熟，具有代表性的堆型是压水堆，其次是沸水堆和重水堆（CANDU）。这一时期的反应堆通常称为商用堆，反应堆的部件已经标准化生产。这一时期的核电站成为第二代核电站，主要以分散式的压水反应堆为主，这是目前世界上使用最多的一种核电站。当前11页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity3、核电发展的低潮时期

1979年美国三哩岛核电站发生了严重事故，是世界震惊，人们开始怀疑核电站的安全性；

1986年前苏联的切尔诺贝利核电站发生了世界核电史上最严重的事故，反应堆解体，大量放射性泄漏。事故时死亡31人，事故使13.5万人疏散，直接经济损失60亿美元。该事故的发生使很多人对核电产生了恐惧心理，西方一些国家反对核电的的势力在增强，这些使核电的发展进入低潮。当前12页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity4、核电发展存在的问题核事故的特殊性事故的严重性,对人类社会及环境的影响区域巨大,后果的持久性形成核恐惧情绪事故的风险性能动安全堆芯熔化风险10-4/堆年投资风险冗余保护放射性风险10-5/堆年公众接受经济性投资大建设周期长(5年以上)追求安全性，又使投资经济性下降（PWR的阀门数是火电厂的8~10倍）当前13页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity5、核电发展的新高潮世界经济的快速发展，需要大量的能源，化石燃料面临日益紧张的趋势，世界面临新的能源危机，目前能够大规模使用的能源只有核能。两次大的核电站事故后，人们开始总结经验和教训，在核电站的安全研究方面取得了很大的进展，采用了非能动安全、固有安全等新的理念，使核电站的安全可靠性更高。开始使用第三代先进轻水堆核电站，代表性的是AP-1000、EPR-1000、ABWR等先进反应堆，特点是：固有安全性，先进的操作管理系统等。当前14页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity核电的发展历史第一代早期的原型堆如shippingport(60年代)第二代目前商用堆PWR、BWR、CANDU(70-90年代)

第三代先进反应堆(URD)、AP-600、AP-1000、ABWR、80+、堆芯熔化概率<10-5/堆年放射性泄漏概率

<10-6/堆年设计寿命60年换料周期18-24个月电厂利用率87%建造周期48个月当前15页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity各代核电设计指标比较安全性项目第二代第三代第四代设计思想冗余保护固有安全设计原则能动安全非能动安全非能动安全堆芯熔化概率10-4~10-510-5~10-6论证不会发生,极低概率放射性外泄概率10-6不需要场外应急响应当前16页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity各代核电设计指标比较经济性项目第二代第三代第四代建造周期(月)>6048

48(从合同签订)36(第一罐混凝土浇注)设计寿命(年)4060>60

发电成本(美分/KWH)7.8~106.53投资成本($/KWH)>180013001000废物未提最少废物量禁止核扩散未提未提具有内在和外在防扩散当前17页，总共44页。HarbinEngineeringUniversityAP600

无人订货，规模太小，经济性，规模效应（退役费用比预估大）

APWR1000MW(100万千瓦）APWR1500

SPWR（SimplifiedPWR)

ABWR

日本两座ABWR-1300（K6，K7）96年先后投入商业运行新型BWRESBWR（EconomicSBWR)

目前竞争堆型：APWREPWRESBWR第三代核电近况当前18页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity三、核电站基础知识

当核燃料的质量和体积达到一定量后，在中子作用下裂变链式反应就可以维持下去，采用控制棒控制这一链式反应，就可以按需要输出能量。使核燃料产生的热量可控的释放出来,并将产生的热量及时传出做功,需要一个非常复杂的过程及设备。

当前19页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity核反应堆

目前世界上正在运行的核电站反应堆由以下几种1、压水反应堆2、沸水反应堆3、重水反应堆4、石墨慢化水冷反应堆5、石墨慢化气冷反应堆6、液态金属冷却快中子反应堆其中使用最多的是压水反应堆，这是目前技术比较成熟、安全可靠性较好的反应堆。当前20页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity反应堆本体当前21页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity反应堆堆芯当前22页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity燃料元件和组件当前23页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity核燃料

铀在地球上的储量较多，但埋藏十分分散，油矿的特点是品位低，矿体分散，规模小，铀的化学性质活泼，喜欢与其它元素形成复合矿。天然铀包括U-238和U-235，U-235占0.72%。反应堆用燃料U-235富集度为3-5%；原子弹为90%以上。将U-235和U-238分开是一个非常困难的工作。目前采用扩散法和离心法分离。当前24页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity离心分离法是铀浓缩的另一种方法

在反应堆内可以将U-238转变成Pu-239

U-238+0n1

→U-239→NP-239→Pu-239利用快中子反应堆，可以将U-238转换成Pu-239，使世界上的U-238资源得以利用。当前25页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity

蒸汽发生器是压水堆冷却剂系统的一个重要设备，目前核电站使用的蒸汽发生器有U型管式自然循环蒸发器和直流蒸发器两种类型。核动力系统与设备当前26页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity蒸汽轮机当前27页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity四、核动力的发展与未来

水下潜器

潜器用小型核反应堆当前28页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity五、核安全核安全的目标

核安全的总目标是：在核电厂里建立并维持一套有效的防护措施，保证工作人员、社会及环境免遭放射性危害。确保在正常运行是核电厂释放的放射性物质保持在尽量低的水平。保证事故情况下放射性物质不外漏。从技术上预防核电厂事故的发生，确保那些会带来严重后果的严重事故发生的概率非常低。当前29页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity核安全基本知识

由于反应堆采用低浓铀,因此决定了它不会象其它原子弹那样产生爆炸.反应堆的潜在威胁在于反应堆内的放射性物质外漏。

1.放射性物质的由来裂变产生的碎片都是不稳定核，包括有氪、氙、碘、铯等约250种同位素。这些元素都具有很强的放射性。

2.多道屏障为了保证核动力的安全的需要，设置多道屏障保正放射性物质不漏出。

当前30页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity多道屏障当前31页，总共44页。核电厂安全设计的基本原则1单一故障原则系统中任何部位发生单一随机故障时，仍能保持所赋予的功能。

2多样性原则用于执行同一功能的多重系统或部件，通过在系统或部件中引入不同属性来提高系统的可靠性。如采用不同的工作原理、不同的物理变量、不同的运行条件及使用不同制造厂的产品。

3独立性原则系统设计通过功能隔离或实体分隔，实现系统布置和设计的独立性。HarbinEngineeringUniversity当前32页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity3.核反应堆原子弹的差别

核反应堆是个可以根据需要控制其输出能量的反应器。原子弹中的核反应过程是不可控的，瞬时爆炸释放出大量能量。核反应堆中使用的是低浓铀2–3%；原子弹中使用的是高浓缩的铀（92U235的富集度在90%以上），大约16公斤铀能做一颗原子弹。当前33页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity4.目前核动力的应用还存在以下两个问题：（1）存在潜在的安全问题。目前的核动力装置还不能做到百分之百的不泄漏，人们对核电站的安全还存在疑虑。（2）核动力退役后，所用过的设备要进行处理。一部分带有强放射性的废料要用特殊的方法封装，埋到人烟稀少的地方，退役的费用较高，并对环境有一定的危害。当前34页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity六、核电技术未来的发展

2002年9月，美、日、英、法、加、巴西、阿根廷、南非、瑞士等国在东京召开第四代核反应堆国际论坛（GIF）达成共识，开发以下6种新一代反应堆超临界水冷反应堆（SCWR）气冷快堆（GFR）超高温气冷堆（VHTR）钠冷快堆（SFR）铅冷快堆（LFR）溶盐堆（MSR）经过讨论一致认为SCWR为最有前景的第四代反应堆。第四代反应堆的概念当前35页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity超临界的概念当前36页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity当前37页，总共44页。HarbinEngineeringUniversity超临界核电站可借鉴技术

超临界火力电厂已获得成功发展目前上已建成462座燃煤超临界电厂总装机容量约269GW

最新建设的火力电厂已大部分为超临界电厂：η>45%，10～2