核專業(yè)知識講座

—核能利用現狀及發(fā)展趨勢

第一頁，共四十二頁。1核能（或稱原子能）是通過轉化原子核質量而從原子核釋放的能量。核能原理太陽原子彈爆炸核能核電基本知識第二頁，共四十二頁。2愛因斯坦能質定理釋放原子能的兩種方法：核聚變（fusion）核裂變（fission）核能的來源“物體的質量是它所含能量的一種度量，如果能量改變了，其質量也就改變了”，“如果物體以輻射的形式放出能量，哪么輻射就在發(fā)射體與吸收體之間傳遞著質量”，“如果一個物體以輻射形式釋放能量E，哪么其質量減少E/C2”。

Einstein,A.(1905),“IstdieTr?gheiteinesK?rpersvonseinemEnergieinhaltabh?ngig?”,AnnalenderPhysik18:639–643（物體的慣性與它所含的能量有關嗎？）第三頁，共四十二頁。3核聚變（Nuclearfusion）指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。第四頁，共四十二頁。4核聚變的兩大優(yōu)點核聚變能可為人類提供“取之不盡用之不竭”的能源。地球上僅在海水中就有45萬億噸氘，1升海水中所含的氘，經過核聚變可提供相當于300升汽油燃燒后釋放出的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍，可以說是取之不竭的能源。至于氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產生，而海水中也含有大量鋰。核聚變不會產生污染環(huán)境的放射性物質。第五頁，共四十二頁。5核聚變的實現方式聚變反應需要非常高的溫度（上億攝氏度），以克服兩個帶正電的氘核之間的巨大排斥力目前主要的幾種可控核聚變方式：超聲波核聚變激光約束（慣性約束）核聚變磁約束核聚變（托卡馬克）目前，實現受控核聚變還存在許多困難，核聚變能的大規(guī)模和平利用還尚需時日。第六頁，共四十二頁。6全超導非圓截面托卡馬克←中國新一代熱核聚變裝置EAST國際熱核實驗反應堆ITER→▲中國科學院等離子體所負責這一項目第七頁，共四十二頁。7核裂變（Nuclearfission）又稱核分裂，是一個原子核分裂成幾個原子核的變化。一般由重的原子（主要是指鈾或钚）分裂成較輕的原子的一種核反應形式。一個重核吸收一個中子分裂成兩個輕核，同時放出數個中子和一定的能量。常用的易裂變核：U-233，U-235，Pu-239，Pu-241第八頁，共四十二頁。8U-235核裂變反應式U-235每次裂變平均放出2.43個中子。第九頁，共四十二頁。9核裂變釋放的能量1個U-235原子核裂變平均釋放的總能量：200MeV1kgU-235完全裂變釋放的能量：19,600,000,000kcal[比較]化石燃料完全燃燒放出的化學能（4.1eV）：1kg標準煤7,000kcal1L重油9,900kcal1m3天然氣9,800kcal1kgU-235裂變釋放的能量相當于2800噸標準煤燃燒釋放的能量第十頁，共四十二頁。10核裂變鏈式反應裂變反應中放出的中子與其它可裂變核碰撞，引起新的核裂變，放出第二代中子，再引起核裂變反應，放出第三代中子，如此持續(xù)下去的過程。第十一頁，共四十二頁。11維持鏈式反應的條件飛走被吸收，不引起新的裂變被裂變核吸收，引起新的裂變中子數=1，就可使裂變反應持續(xù)下去。［自持型］中子數>1，裂變反應越來越強。［發(fā)散型］中子數<1，裂變反應越來越弱。［收斂型］第十二頁，共四十二頁。12中子的能量核裂變放出的中子按能量大小分為：快中子熱中子鈾-235吸收熱中子發(fā)生裂變反應的概率遠遠大于吸收快中子發(fā)生裂變反應的概率；采用慢化劑將快中子慢化成為熱中子。第十三頁，共四十二頁。13核能特點核裂變反應放出巨大的能量；核裂變反應不需要氧氣；核裂變過程伴隨放射性物質的產生。第十四頁，共四十二頁。14核能的應用民用：發(fā)電軍用：適于作為動力系統(tǒng)核裂變能利用的特點需要采取嚴格的輻射防護措施運行管理要求很高第十五頁，共四十二頁。15核能發(fā)電原理第十六頁，共四十二頁。16核動力的軍事應用核能系統(tǒng)潛艇核動力裝置水面艦船核動力裝置空間核能裝置攻擊型核潛艇彈道導彈核潛艇航空母艦巡洋艦驅逐艦核商船空間核電源空間核推進裝置核武器第十七頁，共四十二頁。17發(fā)展核能的意義有利于保障國家能源安全有利于調整能源結構，改善大氣環(huán)境有利于提高裝備制造業(yè)水平，促進科技進步第十八頁，共四十二頁。18世界核電發(fā)展現狀

截止2011年3月，世界上共有443臺運行核電機組裝機容量37832.4萬千瓦；在建63臺，裝機容量6545.4萬千瓦。全世界已有30個國家擁有核電站。法國已將核能作為該國主要能源。一些在利用核能方面發(fā)展較晚的國家也陸續(xù)準備展開各自建造核電站的計劃。第十九頁，共四十二頁。19國家容量(百萬瓦特)占發(fā)電總量份額阿根廷9357.0%

亞美尼亞37645.0%

比利時5,94351.7%

巴西1,9013.0%

保加利亞1,90635.9%

加拿大12,67914.8%

中國（大陸）10,2341.9%

捷克3,68633.8%

芬蘭2,72132.9%

法國63,23675.2%

德國20,33926.1%

匈牙利1,88043.0%

印度4,7802.2%

日本47,34828.9%

韓國17,71634.8%

墨西哥1,3104.8%

國家容量(百萬瓦特)占發(fā)電總量份額荷蘭4853.7%

巴基斯坦4002.7%

羅馬尼亞1,31020.6%

俄羅斯23,08417.8%

斯洛伐克1,76053.5%

斯洛文尼亞和

克羅地亞69637.9%+8.0%

南非1,8004.8%

西班牙744817.5%

瑞典9,39937.4%

瑞士3,25239.5%

中國臺灣4,92720.7%

烏克蘭13,16848.6%

英國10,96217.9%

美國101,22920.2%全球376,31314%第二十頁，共四十二頁。20世界核電發(fā)展階段第一階段，主要是實驗階段，只有一些早期的反應堆模型。第二階段，核電工業(yè)已經進入了商業(yè)應用階段，技術趨于成熟。主要的技術是壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨氣冷堆和鈉冷快堆等。在這個階段，全球的核電裝機容量穩(wěn)步增長，但各地區(qū)增長速度不同，增長主要集中在亞洲的新興國家。在第三階段是核電發(fā)展的階段。在這個階段，每年核電新增裝機容量將達到20十億瓦，而且增長將繼續(xù)幾十年。第三代核反應堆的早期是先進輕水反應堆時期，主要的技術為先進沸水反應堆、歐洲壓水堆、System80+和AP600等。第二十一頁，共四十二頁。21世界核電發(fā)展趨勢第三代核反應堆后期，將會繼續(xù)提升核電站的經濟效益。目前全球使用的反應堆主要是第二代的反應堆核部分第三代早期反應堆的試點。未來第四代核反應堆發(fā)展的方向包括：更好的經濟性、更高的安全性、更少的廢棄物核和防止擴散技術。第二十二頁，共四十二頁。22我國核能利用現狀

截至目前，中國已有商業(yè)運行核電機組13臺，在建28臺，預計到2020年將達到100多臺。中國已經建立了比較完整的核安全監(jiān)管體系，包括政府監(jiān)管部門、地區(qū)核安全監(jiān)督站以及相關技術支持單位。我國首批AP1000核電站作為未來標準型的三代新技術的依托項目已經開建，其中，浙江三門核電1號機組和山東海陽核電1號機組的在建工作進行得非常順利。第二十三頁，共四十二頁。23第二十四頁，共四十二頁。24第三代核能系統(tǒng)典型代表

——AP1000的特點西屋公司在已開發(fā)的非能動先進壓水堆AP600的基礎上開發(fā)了AP1000。AP1000為單堆布置兩環(huán)路機組，電功率1250MWe，設計壽命60年，主要安全系統(tǒng)采用非能動設計，布置在安全殼內，安全殼為雙層結構，外層為預應力混凝土，內層為鋼板結構。第二十五頁，共四十二頁。25AP1000核島示意圖第二十六頁，共四十二頁。26第四代核能系統(tǒng)簡述六種第四代核能系統(tǒng)第二十七頁，共四十二頁。271.氣體冷卻快堆系統(tǒng)（GFR)

系統(tǒng)描述：氣體冷卻快堆是一種快中子能譜的氦氣冷卻反應堆，具有封閉的燃料循環(huán)。堆芯布局可以基于菱形的塊狀、柱狀或板狀燃料組件進行布置。GFR采用直接循環(huán)的布朗循環(huán)氣輪機進行發(fā)電，或者可以隨時利用其為生產氫的熱化工產品供熱。

第二十八頁，共四十二頁。28優(yōu)點：快中子跟錒系元素結合將放射性廢物減到最少。能更有效利用易裂變和可轉換的材料。發(fā)展情況：GFR的技術主要來源于大量的熱中子氣體反應堆和少量的快中子氣體冷卻反應堆的設計。英、德、美、日、中、南非、俄。第二十九頁，共四十二頁。292.鉛冷卻快堆系統(tǒng)（LFR）

系統(tǒng)描述：鉛冷卻快堆是一種快中子能譜的鉛或鉛/鉍合金液態(tài)金屬冷卻的反應堆，并且具有封閉的燃料循環(huán)，便于可轉換鈾的有效轉化和錒系元素的管理。第三十頁，共四十二頁。30優(yōu)點：裝置具有較長的壽期，整個堆芯可以在工廠制造組裝完全、不需要任何電氣化學方面的能量轉換。發(fā)展情況：俄羅斯?jié)撏в玫你U-鉍合金冷卻反應堆技術、一體化快堆金屬合金燃料重復利用和再加工技術的開發(fā)。第三十一頁，共四十二頁。313.熔鹽反應堆系統(tǒng)（MSR）系統(tǒng)描述：熔鹽反應堆是在超熱能中子譜反應堆和完全重復利用錒系元素的燃料循環(huán)，以及在熔鹽燃料混合物的循環(huán)流動中產生裂變能。熔鹽燃料流經石墨堆芯通道，產生超熱能中子。在熔鹽中產生的熱量通過一臺中間熱交換器傳遞到二回路冷卻系統(tǒng)，然后通過一臺三級熱交換器傳遞到能量轉換系統(tǒng)。第三十二頁，共四十二頁。32優(yōu)點：采用封閉的燃料循環(huán)特別能夠提高钚和微量錒系元素的燃耗。熔化的氟化鹽具有優(yōu)良的熱傳遞性能，并且蒸發(fā)壓力非常低，降低了壓力容器和管系的應力。發(fā)展情況：主要是用于航天器推動。1954年的航天器反應堆試驗對堆能否達到的最高溫度(850℃)進行了驗證。以及溶鹽燃料的穩(wěn)定性問題及與石墨鎳基材料的兼容性問題。第三十三頁，共四十二頁。334.鈉冷卻快堆系統(tǒng)（SFR）系統(tǒng)描述：鈉冷卻快堆是一種快中子能譜的鈉冷卻反應堆，具有封閉的燃料循環(huán)，有利于錒系元素的有效管理和可轉換鈾的有效轉化。該系統(tǒng)重要的安全特征是較長的熱響應時間、較寬的冷卻劑沸騰范圍、主回路系統(tǒng)在接近大氣壓的條件下運行、在一回路系統(tǒng)中的放射性鈉與電廠的水和蒸汽之間有一個中間的鈉系統(tǒng)。

第三十四頁，共四十二頁。34優(yōu)點：SFR可用于電力市場，同時由于SFR是快中子能譜反應堆，SFR更能夠有效的利用那些可再利用的易裂變和可轉換的材料。發(fā)展情況：法國、日本、德國、英國、俄羅斯和美國等國家已建造和運行了鈉冷液態(tài)金屬反應堆,功率范圍從1.1MWt到1200MWt不等。第三十五頁，共四十二頁。355.超臨界水冷卻反應堆系統(tǒng)（SCWR)系統(tǒng)描述：超臨界水冷卻反應堆系統(tǒng)是一種高溫高壓的水冷反應堆，它可以在高于水的熱力學臨界點的工況下運行。反應堆所采用的燃料為氧化鈾。SCWR系統(tǒng)設計的主要目的是為了生產高效的電力產品。第三十六頁，共四十二頁。36優(yōu)點：系統(tǒng)的熱效率比目前的輕水反應堆高大約三分之一，同時也可以簡化裝置的配置。發(fā)展情況：其中許多技術可以在現有的輕水堆和超臨界水冷化石燃料商用電站中找到，目前還沒有SCWR的原型堆。第三十七頁，共四十二頁。376.超高溫反應堆系統(tǒng)（VHTR）系統(tǒng)描述：超高溫反應堆系統(tǒng)是一種石墨慢化氦氣冷卻的、具有一次性鈾燃料循環(huán)的反應堆。反應堆是一個600MWt的堆芯，它與一臺中間熱交換器相連進行熱量的傳遞可以用于生產氫產品、或為石化工業(yè)或其它工業(yè)用途供熱。第三十八頁，共四十二頁。38優(yōu)點：高效率，可以用于供熱、發(fā)電。同時，靈活地采用鈾/钚燃料循環(huán)．并有助于廢物的最小化。發(fā)展情況：基本技術已經在先前的高溫氣冷堆項目中形成了，在中國的HTR-10中也準備驗證在10MWt的功率水平上進行發(fā)電和熱電聯供的可行性。

第三十九頁，共四十二頁。39二、第四代核能系統(tǒng)的研究開發(fā)計劃第四代核能系統(tǒng)的目標是使這些系統(tǒng)能夠在2030年之前得到廣泛的應用下表列出了六種第四代核能系統(tǒng)研究開發(fā)的主要時間節(jié)點及其研究開發(fā)所需的經費初步預算。在可行性研究和論證階段，要證明一些關鍵技術是可行的如果上述兩個階段的研究工作進展順利的話，至少還需要用6年的時問開展實際驗證工作，估計需要幾十億美元的資金。第四十頁，共四十二頁。40中國核電的未來