核能利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)講義

1、1 核專業(yè)知識(shí)講座核專業(yè)知識(shí)講座 核能利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)核能利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2 核能（或稱原子能）是通過轉(zhuǎn)化原子核質(zhì)量而從原子核能（或稱原子能）是通過轉(zhuǎn)化原子核質(zhì)量而從原子核釋放的能量。核釋放的能量。核能原理核能原理太陽(yáng)太陽(yáng)原子彈爆炸原子彈爆炸核能核電基本知識(shí)3愛因斯坦能質(zhì)定理愛因斯坦能質(zhì)定理釋放原子能的兩種方法：釋放原子能的兩種方法：l核聚變（核聚變（fusion）l核裂變（核裂變（fission）核能的來(lái)源核能的來(lái)源2mcE “物體的質(zhì)量是它所含能量的一種度量，如果能物體的質(zhì)量是它所含能量的一種度量，如果能量改變了，其質(zhì)量也就改變了量改變了，其質(zhì)量也就改變了”，“如果物體以如果物體以輻

2、射的形式放出能量，哪么輻射就在發(fā)射體與吸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(zhì)量收體之間傳遞著質(zhì)量”，“如果一個(gè)物體以輻射如果一個(gè)物體以輻射形式釋放能量形式釋放能量E，哪么其質(zhì)量減少，哪么其質(zhì)量減少E/C2”。 Einstein, A. (1905), “Ist die Trgheit eines Krpers von seinem Energieinhalt abhngig?”, Annalen der Physik 18: 639643 （物體的（物體的慣性與它所含的能量有關(guān)嗎？）慣性與它所含的能量有關(guān)嗎？）4核聚變（核聚變（Nuclear fusion）l指由質(zhì)量小的

3、原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高指由質(zhì)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(zhì)量更重的溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。 5核聚變的兩大優(yōu)點(diǎn)核聚變的兩大優(yōu)點(diǎn)l核聚變能可為人類提供核聚變能可為人類提供“取之不盡用之不竭取之不盡用之不竭”的能源。的能源。地球上僅在海水中就有地球上僅在海水中就有45萬(wàn)億噸氘，萬(wàn)億噸氘，1升海水中所含的氘，經(jīng)過升海水中所含的氘，經(jīng)過核聚變可提供相當(dāng)于核聚變可提供相當(dāng)于300升汽油燃燒后釋放出

4、的能量。地球上蘊(yùn)升汽油燃燒后釋放出的能量。地球上蘊(yùn)藏的核聚變能約為蘊(yùn)藏的可進(jìn)行核裂變?cè)厮茚尦龅娜亢瞬氐暮司圩兡芗s為蘊(yùn)藏的可進(jìn)行核裂變?cè)厮茚尦龅娜亢肆炎兡艿牧炎兡艿?000萬(wàn)倍，可以說(shuō)是取之不竭的能源。至于氚，雖然萬(wàn)倍，可以說(shuō)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(chǎn)生，而海水中也含自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產(chǎn)生，而海水中也含有大量鋰。有大量鋰。l核聚變不會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì)。核聚變不會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì)。6核聚變的實(shí)現(xiàn)方式核聚變的實(shí)現(xiàn)方式l聚變反應(yīng)需要非常高的溫度（上億攝氏度），以克服聚變反應(yīng)需要非常高的溫度（上億攝氏度），以克服兩個(gè)

5、帶正電的氘核之間的巨大排斥力兩個(gè)帶正電的氘核之間的巨大排斥力 l目前主要的幾種可控核聚變方式：目前主要的幾種可控核聚變方式： 超聲波核聚變超聲波核聚變激光約束（慣性約束）核聚變激光約束（慣性約束）核聚變磁約束核聚變（托卡馬克）磁約束核聚變（托卡馬克） l目前，實(shí)現(xiàn)受控核聚變還存在許多困難，核聚變能的目前，實(shí)現(xiàn)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(shí)日。大規(guī)模和平利用還尚需時(shí)日。7全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克 中國(guó)新一代熱核聚變裝置中國(guó)新一代熱核聚變裝置EAST國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆ITER 中國(guó)科學(xué)院等離子體所負(fù)責(zé)這中國(guó)科學(xué)院等離子體所負(fù)責(zé)這一項(xiàng)

6、目一項(xiàng)目8核裂變（核裂變（Nuclear fission）l又稱核分裂，是一個(gè)原子核分裂成幾個(gè)原子核的變化。一般由又稱核分裂，是一個(gè)原子核分裂成幾個(gè)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(yīng)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(yīng)形式。形式。l一個(gè)重核吸收一個(gè)中子分裂成兩個(gè)輕核，同時(shí)放出數(shù)個(gè)中子和一個(gè)重核吸收一個(gè)中子分裂成兩個(gè)輕核，同時(shí)放出數(shù)個(gè)中子和一定的能量。一定的能量。l常用的易裂變核：常用的易裂變核：U-233，U-235，Pu-239，Pu-2419EEgeEkXXn3BaKrnUn2BaKrnU.nnU101395694361023592

7、10144569036102359210211023592U-235核裂變反應(yīng)式核裂變反應(yīng)式lU-235每次裂變平均放出每次裂變平均放出2.43個(gè)中子。個(gè)中子。10核裂變釋放的能量核裂變釋放的能量l 1個(gè)個(gè)U-235原子核裂變平均釋放的總能量：原子核裂變平均釋放的總能量：200MeVl 1kgU-235完全裂變釋放的能量：完全裂變釋放的能量：19,600,000,000 kcal 比較比較 化石燃料完全燃燒放出的化學(xué)能（化石燃料完全燃燒放出的化學(xué)能（4.1eV）：）： 1kg標(biāo)準(zhǔn)煤標(biāo)準(zhǔn)煤 7,000 kcal 1L重油重油 9,900 kcal 1m3天然氣天然氣 9,800 kcal 1kg

8、U-235裂變釋放的能量相當(dāng)于裂變釋放的能量相當(dāng)于2800噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的能量釋放的能量11核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)l裂變反應(yīng)中放出的裂變反應(yīng)中放出的中子與其它可裂變中子與其它可裂變核碰撞，引起新的核碰撞，引起新的核裂變，放出第二核裂變，放出第二代中子，再引起核代中子，再引起核裂變反應(yīng)，放出第裂變反應(yīng)，放出第三代中子，如此持三代中子，如此持續(xù)下去的過程。續(xù)下去的過程。12維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件l飛走飛走l被吸收，不引起新的裂變被吸收，不引起新的裂變l被裂變核吸收，引起新的裂變被裂變核吸收，引起新的裂變中子數(shù)中子數(shù)=1，就可使裂變反應(yīng)持續(xù)下去。，就可使裂變反應(yīng)持續(xù)

9、下去。自持型自持型中子數(shù)中子數(shù)1，裂變反應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)。，裂變反應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)。發(fā)散型發(fā)散型中子數(shù)中子數(shù)1，裂變反應(yīng)越來(lái)越弱。，裂變反應(yīng)越來(lái)越弱。收斂型收斂型13中子的能量中子的能量核裂變放出的中子按能量大小分為：核裂變放出的中子按能量大小分為：l快中子快中子l熱中子熱中子 鈾鈾-235吸收熱中子發(fā)生裂變反應(yīng)的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大吸收熱中子發(fā)生裂變反應(yīng)的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大 于吸于吸收快中子發(fā)生裂變反應(yīng)的概率；收快中子發(fā)生裂變反應(yīng)的概率； 采用慢化劑將快中子慢化成為熱中子。采用慢化劑將快中子慢化成為熱中子。14核能特點(diǎn)l 核裂變反應(yīng)放出巨大的能量；核裂變反應(yīng)放出巨大的能量；l 核裂變反應(yīng)不需要氧氣；核裂變反應(yīng)不需要氧氣；

10、l 核裂變過程伴隨放射性物質(zhì)的產(chǎn)生。核裂變過程伴隨放射性物質(zhì)的產(chǎn)生。15核能的應(yīng)用 民用：發(fā)電 軍用：適于作為動(dòng)力系統(tǒng) 核裂變能利用的特點(diǎn)核裂變能利用的特點(diǎn) 需要采取嚴(yán)格的輻射防護(hù)措施運(yùn)行管理要求很高16核能發(fā)電原理17核動(dòng)力的軍事應(yīng)用核動(dòng)力的軍事應(yīng)用核能系統(tǒng)核能系統(tǒng)潛艇核動(dòng)力裝置潛艇核動(dòng)力裝置水面艦船水面艦船核動(dòng)力裝置核動(dòng)力裝置空間核能裝置空間核能裝置攻擊型核潛艇攻擊型核潛艇彈道導(dǎo)彈核潛艇彈道導(dǎo)彈核潛艇航空母艦航空母艦巡洋艦巡洋艦驅(qū)逐艦驅(qū)逐艦核商船核商船空間核電源空間核電源空間核推進(jìn)裝置空間核推進(jìn)裝置核武器核武器18發(fā)展核能的意義 有利于保障國(guó)家能源安全 有利于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，改善大氣環(huán)境 有

11、利于提高裝備制造業(yè)水平，促進(jìn)科技進(jìn)步19世界核電發(fā)展現(xiàn)狀 截止2011年3月，世界上共有443臺(tái)運(yùn)行核電機(jī)組裝機(jī)容量37832.4萬(wàn)千瓦；在建6 3臺(tái)，裝機(jī)容量6545.4萬(wàn)千瓦。 全世界已有30個(gè)國(guó)家擁有核電站。法國(guó)已將核能作為該國(guó)主要能源。一些在利用核能方面發(fā)展較晚的國(guó)家也陸續(xù)準(zhǔn)備展開各自建造核電站的計(jì)劃。20 國(guó)家國(guó)家 容量容量(百萬(wàn)瓦特百萬(wàn)瓦特) 占發(fā)電總量份額占發(fā)電總量份額阿根廷 935 7.0% 亞美尼亞 376 45.0% 比利時(shí) 5,943 51.7% 巴西 1,901 3.0% 保加利亞 1,906 35.9% 加拿大 12,679 14.8% 中國(guó)（大陸）10,234 1.

12、9% 捷克 3,686 33.8% 芬蘭 2,721 32.9% 法國(guó) 63,236 75.2% 德國(guó) 20,339 26.1% 匈牙利 1,880 43.0% 印度 4,780 2.2% 日本 47,348 28.9% 韓國(guó) 17,716 34.8% 墨西哥 1,310 4.8% 國(guó)家國(guó)家 容量容量(百萬(wàn)瓦特百萬(wàn)瓦特) 占發(fā)電總量份額占發(fā)電總量份額荷蘭 485 3.7% 巴基斯坦 400 2.7% 羅馬尼亞 1,310 20.6% 俄羅斯 23,084 17.8% 斯洛伐克 1,760 53.5% 斯洛文尼亞和 克羅地亞696 37.9% + 8.0% 南非 1,800 4.8% 西班牙 7

13、448 17.5% 瑞典 9,399 37.4% 瑞士 3,252 39.5% 中國(guó)臺(tái)灣 4,927 20.7% 烏克蘭 13,168 48.6% 英國(guó) 10,962 17.9% 美國(guó) 101,229 20.2%全球 376,313 14%21世界核電發(fā)展階段 第一階段，主要是實(shí)驗(yàn)階段，只有一些早期的反應(yīng)堆模型。 第二階段，核電工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)應(yīng)用階段，技術(shù)趨于成熟。 主要的技術(shù)是壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨氣冷堆和鈉冷快堆等。在這個(gè)階段，全球的核電裝機(jī)容量穩(wěn)步增長(zhǎng)，但各地區(qū)增長(zhǎng)速度不同，增長(zhǎng)主要集中在亞洲的新興國(guó)家。 在第三階段是核電發(fā)展的階段。 在這個(gè)階段，每年核電新增裝機(jī)容量將達(dá)到20

14、十億瓦，而且增長(zhǎng)將繼續(xù)幾十年。第三代核反應(yīng)堆的早期是先進(jìn)輕水反應(yīng)堆時(shí)期，主要的技術(shù)為先進(jìn)沸水反應(yīng)堆、歐洲壓水堆、System 80+和AP600等。22世界核電發(fā)展趨勢(shì) 第三代核反應(yīng)堆后期，將會(huì)繼續(xù)提升核電站的經(jīng)濟(jì)效益。目前全球使用的反應(yīng)堆主要是第二代的反應(yīng)堆核部分第三代早期反應(yīng)堆的試點(diǎn)。未來(lái)第四代核反應(yīng)堆發(fā)展的方向包括：更好的經(jīng)濟(jì)性、更高的安全性、更少的廢棄物核和防止擴(kuò)散技術(shù)。23我國(guó)核能利用現(xiàn)狀 截至目前，中國(guó)已有商業(yè)運(yùn)行核電機(jī)組13臺(tái)，在建28臺(tái)，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到100多臺(tái)。中國(guó)已經(jīng)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(guān)技術(shù)支持單位。我國(guó)首批AP

15、1000核電站作為未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)型的三代新技術(shù)的依托項(xiàng)目已經(jīng)開建，其中，浙江三門核電1號(hào)機(jī)組和山東海陽(yáng)核電1號(hào)機(jī)組的在建工作進(jìn)行得非常順利。 2425第三代核能系統(tǒng)典型代表 AP1000的特點(diǎn) 西屋公司在已開發(fā)的非能動(dòng)先進(jìn)壓水堆AP600的基礎(chǔ)上開發(fā)了AP1000。 AP1000為單堆布置兩環(huán)路機(jī)組，電功率1250MWe，設(shè)計(jì)壽命60年，主要安全系統(tǒng)采用非能動(dòng)設(shè)計(jì)，布置在安全殼內(nèi)，安全殼為雙層結(jié)構(gòu)，外層為預(yù)應(yīng)力混凝土，內(nèi)層為鋼板結(jié)構(gòu)。 26AP1000核島示意圖27第四代核能系統(tǒng)簡(jiǎn)述第四代核能系統(tǒng)簡(jiǎn)述六種第四代核能系統(tǒng)281.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

16、反應(yīng)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(jìn)行布置。GFR采用直接循環(huán)的布朗循環(huán)氣輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，或者可以隨時(shí)利用其為生產(chǎn)氫的熱化工產(chǎn)品供熱。 29 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：快中子跟錒系元素結(jié)合將放射性廢物減到最少。能更有效利用易裂變和可轉(zhuǎn)換的材料。 發(fā)展情況發(fā)展情況：GFR的技術(shù)主要來(lái)源于大量的熱中子氣體反應(yīng)堆和少量的快中子氣體冷卻反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)。英、德、美、日、中、南非、俄。302.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(yīng)堆，并且具有封閉的燃料循環(huán)，便于可轉(zhuǎn)換鈾的有效轉(zhuǎn)化和錒系元 素 的 管 理 。31 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：裝置具有

17、較長(zhǎng)的壽期，整個(gè)堆芯可以在工廠制造組裝完全、不需要任何電氣化學(xué)方面的能量轉(zhuǎn)換。 發(fā)展情況發(fā)展情況：俄羅斯?jié)撏в玫你U-鉍合金冷卻反應(yīng)堆技術(shù)、一體化快堆金屬合金燃料重復(fù)利用和再加工技術(shù)的開發(fā)。323.熔鹽反應(yīng)堆系統(tǒng)（MSR）系統(tǒng)描述：熔鹽反應(yīng)堆是在超熱能中子譜反應(yīng)堆和完全重復(fù)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(dòng)中產(chǎn)生裂變能。熔鹽燃料流經(jīng)石墨堆芯通道，產(chǎn)生超熱能中子。在熔鹽中產(chǎn)生的熱量通過一臺(tái)中間熱交換器傳遞到二回路冷卻系統(tǒng)，然后通過一臺(tái)三級(jí)熱交換器傳遞到能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 。33 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：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)

18、壓力非常低，降低了壓力容器和管系的應(yīng)力。 發(fā)展情況發(fā)展情況：主要是用于航天器推動(dòng)。1954年的航天器反應(yīng)堆試驗(yàn)對(duì)堆能否達(dá)到的最高溫度(850)進(jìn)行了驗(yàn)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。344.4.鈉冷卻快堆系統(tǒng)（鈉冷卻快堆系統(tǒng)（SFR）系統(tǒng)描述：系統(tǒng)描述：鈉冷卻快堆是一種快中子能譜的鈉冷卻反應(yīng)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(zhuǎn)換鈾的有效轉(zhuǎn)化。該系統(tǒng)重要的安全特征是較長(zhǎng)的熱響應(yīng)時(shí)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(yùn)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(gè)中間的鈉系統(tǒng)。 35 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：SFR 可用于電力市場(chǎng)，同時(shí)由于

19、SFR是快中子能譜反應(yīng)堆，SFR更能夠有效的利用那些可再利用的易裂變和可轉(zhuǎn)換的材料。 發(fā)展情況發(fā)展情況：法國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)、俄羅斯和美國(guó)等國(guó)家已建造和運(yùn)行了鈉冷液態(tài)金屬反應(yīng)堆,功率范圍從1.1MWt到1200MWt不等。365.超臨界水冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)（SCWR)系統(tǒng)描述：超臨界水冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)是一種高溫高壓的水冷反應(yīng)堆，它可以在高于水的熱力學(xué)臨界點(diǎn)的工況下運(yùn)行。反應(yīng)堆所采用的燃料為氧化鈾。SCWR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是為了生產(chǎn)高效的電力產(chǎn)品。37 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)的熱效率比目前的輕水反應(yīng)堆高大約三分之一，同時(shí)也可以簡(jiǎn)化裝置的配置。 發(fā)展情況發(fā)展情況：其中許多技術(shù)可以在現(xiàn)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。386.超高溫反應(yīng)堆系統(tǒng)（VHTR）系統(tǒng)描述：系統(tǒng)描述：超高溫反應(yīng)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(yīng)堆。反應(yīng)堆是一個(gè)600MWt的堆芯，它與一臺(tái)中間熱交換器相連進(jìn)行熱量的傳遞可以用于生產(chǎn)氫產(chǎn)品、或?yàn)槭I(yè)或其它工業(yè)用途供熱。39 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：高效