核能发电-新能源发电的新纪元

核能发电——新能源发电的新纪元核电自50年代中期问世以来，目前已取得长足的发展。到2007年中期，世界上共有439座发电用核反应堆在运行，正在建造的发电用核反应堆有30座。目前世界上有30多个国家和地区有核电厂发电，核发电量占世界总发电量的17%，其中有十几个国家和地区核电发电量超过各种总的发电量的四分之一，有的国家超过70%。我国目前已经投运的核电机组有11台，总装机容量910万千瓦时。2008年，核电占全国电力装机总容量的1.3%，核电年发电量683.94亿千瓦小时，占全国总发电量的2%左右。作为发电的新方式——核能发电在今后的生产生活中占据的比重越来越大，核电站也将与我们的日常生活相联系的更加紧密，了解和学习核电站以及核能发电这一新技术将是我们适应社会发展的一项必不可少的事情。下面我先介绍一下什么是核电站以及核能发电的原理。核电站就是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。反应堆是核电站的关键设备，也是使核电站与火电站区别开来的重要设备。核电站的发电工程就是以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料（用铀制成）在核反应堆的设备内发生链式裂变反应（注：核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化，只有一些质量非常大的原子核像铀、钍等才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多质量较小的原子核，同时放出两个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变……，使过程持续下去，这种过程称作链式反应。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能。1克铀-235完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量）来产生大量的热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网传到四面八方。目前世界上核电站常用的反应堆有压水堆、沸水堆、重水堆和快堆等。使用的最广泛的是压水反应堆。压水反应堆是以普通水做冷却剂和慢化剂，它是从军用堆基础上发展起来的最成熟、最成功的动力堆堆型。现在，我主要为大家介绍一下核电站的设备构成及其不同分类：核电站一般由一回路厂房、二回路厂房、一回路辅助厂房、输配电厂房、循环水泵房以及三废处理厂房组成，而核电站的内部通常由一回路系统和二回路系统组成，反应堆是核电站的核心，除此之外，核电站还有许多与核反应堆相配合的重要设备，以压水堆核电站为例，它们是主泵、稳压器、蒸汽发生器、安全壳、汽轮发电机和危急冷却系统等，它们在核电站中有各自特殊的功能。首先，我为大家介绍一下这些设备的功能特点。主泵——如果把反应堆中的冷却剂比作人体血液的话，那主泵则是心脏，它的功用是把冷却剂送进核反应堆内，然后流过蒸汽发生器，以保证核裂变反应所产生的热量能够及时传递出来；稳压器——又称压力平衡器，是用来控制核反应堆系统压力变化的设备，在正常运行时起保持压力的作用，在事故发生时提供超压保护，稳压器设有加热器和喷淋系统，当核反应堆里压力过高时，喷洒冷水降压，当堆内压力太低时加热器自动通电加热使水政法以增加压力；蒸汽发生器——它的作用是把通过核反应堆的冷却剂的热量传给二次回路水，并使之变成蒸汽，再通过汽轮发电机的气缸作功；安全壳——用来控制和限制放射性物质从反应堆扩散出去，以保护公众免遭放射性物质的伤害，万一发生罕见的反应堆一回路水外溢的失水事故时，安全壳是防止裂变产物释放到周围的最后一道屏障，安全壳一般是内衬钢板的预应力混凝土厚壁容器；汽轮机——核电站用的汽轮发电机在构造上与常规火电站的大同小异，所不同的是由于蒸汽压力和温度都较低，所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电站的大；危急冷却系统——为了应付核电站一回路主管道破裂的极端失水事故的发生，近代核电站都设有危急冷却系统，它是由注射系统和安全壳喷淋系统组成，一旦接到极端失水事故的信号后，安全注射系统向核反应堆内注射高压含硼水，喷淋系统向安全壳喷水和化学药剂，便可缓解事故后果，限制事故蔓延。核电站开始工作发出电能，实际上是核反应堆工作时放出的热能，由一回路系统的冷却剂带出，用以产生蒸汽。因此，整个一回路系统被称为“核供汽系统”，它相当于火电厂的锅炉系统。为了确保安全，整个一回路系统安装在安全壳内，这样，无论在正常运行或发生事故时都不会影响安全。由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统，与发电厂的汽轮发电机系统基本相同。上面我已经提到了关于常用的核反应堆大概有四种，即压水堆、沸水堆、重水堆和快堆，根据核反应堆种类的不同，核电站分为压水堆核电站、沸水堆核电站、重水堆核电站以及快堆核电站。现在，我先简要介绍一下这四种核电站。1、压水堆核电站，就是以压水堆为热源的核电站，它主要由核岛和常规岛组成。压水堆核电站核岛中的四大部件是蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯，在核岛中的系统设备主要有压水堆本体、一回路系统以及为支持一回路系统正常运行和保证反应堆安全而设置的辅助系统。常规岛主要包括汽轮机组以及二回路系统，其形式与常规火电厂类似。2、沸水堆核电站，就是以沸水堆为热源的核电站。沸水堆是以沸腾轻水为慢化剂和冷却剂并在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽的动力堆，沸水堆与压水堆均同属轻水堆，都具有结构紧凑、安全可靠、建造费用低和负荷跟随能力强等优点，它们都需使用低富集铀作燃料。沸水堆核电站系统包括主系统（包括反应堆）、蒸汽给水系统、反应堆辅助系统等。3、重水堆核电站，就是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，重水堆分为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，有各种类别，但以实现工业规模推广的只有加拿大发展起来的坎杜型压力管式重水堆核电站。4、快堆核电站，就是以由快中子引起链式裂变反应所释放出来的热能转换为电能的核电站。快堆在运行中既消耗裂变材料，又生产新裂变材料，而且所产可多于所耗，能实现核裂变材料的增值。目前，世界上已商业运行的核电站堆型，如压水堆、沸水堆、重水堆等都是非增殖堆型，主要利用核裂变燃料，即使再利用转换出来的钚-239等易裂变材料，它对铀资源的利用率也只有1%—2%，但在快堆中，铀-238原则上都能转换成钚-239而得以使用，但考虑到各种损耗，快堆可将铀资源的利用率提高到60%—70%。下面，我将主要介绍一下轻水堆核电站——即压水堆核电站和沸水堆核电站。压水堆核电站——压水堆核电站的一回路系统与二回路系统完全隔开，它是一个密闭的循环系统。该核电站的原理流程为：主泵将高压冷却剂送入反应堆，一般冷却剂保持在120~160个大气压。在高压情况下冷却剂的温度即使是300℃也不会汽化。冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆，并进入蒸汽发生器，通过数以千计的传热管，把热量传给管外的二回路水，使水沸腾产生蒸汽；冷却剂流经蒸汽发生器后，再由主泵送入反应堆，这样来回循环，不断地把反应堆中的热量带出并转换产生蒸汽。从蒸汽发生器出来的高温高压蒸汽，推动汽轮发电机组发电。做过功的废汽在冷凝器中凝结成水，再由凝结给水泵送入加热器，重新加热后送回蒸汽发生器。这就是二回路循环系统。压水堆由压力容器和堆芯两部分组成。压力容器是一个密闭的、又厚又重的、高达数十米的圆筒形大钢壳，所用的钢板耐高温高压、耐腐蚀，用来推动汽轮机转动的高温高压蒸汽就在这里产生的。在容器的顶部设置有控制棒驱动机构，用于驱动控制棒在堆芯内上下移动。堆芯是反应堆的心脏，装在压力容器中间，它是燃料组件构成的。正如锅炉烧的煤块一样，燃料芯块是核电站“原子锅炉”燃烧的基本单元。沸水堆核电站——沸水堆核电站的工作流程是：冷却剂（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。沸水堆与压水堆不同之处在于冷却水保持在较低压力（约为70个大气压）下，水通过堆芯变成约285℃的蒸汽，并直接被引入汽轮机。所以，沸水堆只有一个回路，省去了容易发生泄漏的蒸汽发生器，因而显得简单。重水堆按其结构型式可分为压力壳式和压力管式两种。压力壳式的冷却剂只用重水，它的内部结构材料比压力管式少，但中子经济性好，生成新燃料钚－239的净产量也比较高。这种堆一般用天然铀作燃料，结构类似压水堆，但因栅格节距大，压力壳比同样功率的压水堆要大得多，因此单堆功率最大只能做到30万千瓦。因为管式重水堆的冷却剂不受限制，可用重水、轻水、气体或有机化合物。总之，轻水堆核电站的最大优点是结构和运行都比较简单，尺寸较小，造价也低廉，燃料也比较经济，具有良好的安全性、可靠性和经济性。它的缺点是必须使用低浓铀，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。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。从维修来看，压水堆因为一回路和蒸汽系统分开，汽轮机未受到放射性的沾污，所以容易维修。而沸水堆是堆内产生的蒸汽直接进入汽轮机，这样，汽轮机会受到放射性的沾污，所以在这方面的设计与维修都比压水堆麻烦一些。虽然核电站的组成没有太大的差异，但是不同类型反应堆的核电站，其动力回路是不相同的。以压水堆核电站为例，其动力装置主要由反应堆、一次冷却水回路（简称一回路）、二次汽、水回路（又称二回路）及其辅助回路系统组成。一回路系统由核反应堆、主循环泵、稳压器、蒸汽发生器和相应的管道、阀门及其他辅助设备所组成。高温高压的冷却水由主循环泵送流经反应堆，吸收核燃料裂变放出的热能后，流进蒸汽发生器，通过蒸汽发生器再将热量传递给在管外流动的二回路给水，使它变成蒸汽，此后，再由主循环泵将冷却剂重新送至反应堆内。如此循环往复，构成一个密闭的循环回路。二回路系统是将蒸汽的热能转化为电能的装置。它由汽水分离器、汽轮机、冷凝器、凝结水泵、给水泵、给水加热器、除氧器等设备组成。二回路给水吸收了一回路的热量后成为蒸汽，然后进入汽轮机作功，带动发电机发电。作功后的乏汽排入冷凝器内，凝结成水，然后由凝结水泵送入加热器，加热后重新返回蒸汽发生器，构成二回路的密闭循环。核电站的二回路系统与常规火电站的动力回路相似。由于二回路系统设备较多，所以接下来我只简要介绍一下汽水分离器的相关内容。汽水分离器采用的分离结构很多，其分离方法有重力沉降、折流分离、离心力分离、丝网分离、超滤分离、填料分离等，但综合起来分离原理只有两种：一是利用组分质量（重量）不同对混合物进行分离（如重力沉降、折流分离、离心力分离、填料分离的分离方法），气体与液体的密度不同，相同体积下气体的质量比液体的质量小；二是利用分散系粒子大小不同对混合物进行分离（如丝网分离、超滤分离的分离方法），液体的分子聚集状态与气体的分子聚集状态不同，气体分子距离较远，而液体分子距离要近的多，所以气体粒子比液体粒子小些。汽水分离器的工作原理比较简单，基本原理是利用气液比重不同，在一个突然扩大的容器中，流速降低后，在主流体转向的过程中，气相中细微的液滴下沉而与气体分离，或利用旋风分离器，气相中细微的液滴被进口高速气流甩到器壁上，碰撞后失去动能而与转向气体分离。一般是侧面进料，被分离的液体流经底部疏水阀排出，干燥清洁的蒸汽从分离器上部出口排除，从而起到分离的作用。以上就是我对核电站相关内容的