核能大范甘迪

1、1. 2 核能的和平利用核能的和平利用1. 2. 1核裂變和核聚變核裂變和核聚變 “核能”來源于保持在原子核中的一種非常強(qiáng)的作用力核力。 核力和人們熟知的電磁力以及萬有引力完全不同，它是一種非常強(qiáng)大的短程作用力。取得核能的方式有兩種：一是目前已達(dá)到實用階段的核裂變方式，二是目前還處于研究試驗階段的核聚變方式。 自然界中的所有物質(zhì)，將它們進(jìn)行化學(xué)分解，就能分出氫、氧、鈾等多種元素。這些元素結(jié)合起來便形成物質(zhì)。保持物質(zhì)性質(zhì)的最小單位為分子。分子還可以分成原子，原子是代表元素的最小單位。原子由一個帶正電荷的原子核和圍繞該原子核周圍的帶負(fù)電荷的電子組成。原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。圖圖3-1-5 核裂變反

2、應(yīng)示意圖核裂變反應(yīng)示意圖1）核裂變2）核聚變 把一個氘核(質(zhì)量數(shù)為2的氫核)和一個氚核(質(zhì)量數(shù)為3的氫核)在高溫、高壓的環(huán)境下結(jié)合成一個氦核時，也會釋放出核能，這就是所謂的氫核聚變，見圖3-1-6。氫彈就是利用這個原理制成的氫彈的威力比原子彈要大得多。我們最熟悉的太陽其內(nèi)部就在不斷地進(jìn)行著大規(guī)模的核聚變反應(yīng)，由此釋放出的巨大核能以電磁波的形式從太陽輻射出來，地球上的人類自古以來，每天都享用著這種聚變釋放出的核能。圖圖3-1-6 核聚變反應(yīng)示意圖核聚變反應(yīng)示意圖 磁約束是前蘇聯(lián)科學(xué)家塔姆和薩哈羅夫提出的，他們期望用環(huán)行磁場這一“無形的河床來約束河水”。磁約束就是利用磁場將高溫等離子體約束在一定的

3、范圍內(nèi)。由于高溫等離子體是由高速運(yùn)動的荷電粒子（離子、電子）組成，如果利用設(shè)計的磁場來約束高溫等離子體，使帶電粒子只能沿著一個螺旋形的軌道運(yùn)動，這樣磁場的作用就相當(dāng)于一個容器了（見圖）。這就是磁約束系統(tǒng)的思想。 受這一思想的啟發(fā)，前蘇聯(lián)物理學(xué)家阿奇莫維奇開始了這一裝置的研究。最初，他們在環(huán)形陶瓷真空室外套多匝線圈，利用電容器放電使真空室形成環(huán)形磁場。與此同時，用變壓器放電，使等離子體電流產(chǎn)生極向磁場。后來又利用不銹鋼真空室代替陶瓷真空室，還改進(jìn)了線圈的工藝，增加了匝數(shù)，改進(jìn)了磁場位形，最后成功地建成了一個高溫等離子體磁約束裝置。阿奇莫維奇將這一形如面包圈的環(huán)形容器命名為托卡馬克。托卡馬克(TO

4、KAMAK)在俄語中是“環(huán)形”、“真空”、“磁”、“線圈”幾個詞的組合，即環(huán)流磁真空室的縮寫。磁約束原理圖磁約束原理圖螺線管極向場環(huán)形場全超導(dǎo)托卡馬克全超導(dǎo)托卡馬克EAST（原名（原名HT7U）核聚變實驗裝置）核聚變實驗裝置 核反應(yīng)堆是一個能維持和控制核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而實現(xiàn)核能熱能轉(zhuǎn)換的裝置。核反應(yīng)堆是核電廠的心臟，核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在其中進(jìn)行。反應(yīng)堆由堆芯、冷卻系統(tǒng)、慢化系統(tǒng)、反射層、控制與保護(hù)系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、輻射監(jiān)測系統(tǒng)等組成。 壓水反應(yīng)堆發(fā)電系統(tǒng)壓水反應(yīng)堆發(fā)電系統(tǒng) 核電站核電站 核電站和火電站的系統(tǒng)示意圖核電站和火電站的系統(tǒng)示意圖 20世紀(jì)50年代美蘇等工業(yè)發(fā)達(dá)國家在進(jìn)行核軍備競賽的同時,

5、也競相發(fā)展核電站,前蘇聯(lián)于1954年建成的電功率僅五千千瓦的試驗性的第一所原子能電站和美國于1957年建成的電功率為九萬千瓦的希平港原型核電站等證明了利用核能發(fā)電的技術(shù)可行性,國際上把這些試驗性和原型核電機(jī)組稱為第一代核電機(jī)組。在這些機(jī)組取得的經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,20世紀(jì)60年代中期以來陸續(xù)建成了一些電功率在30萬千瓦以上的如壓水堆、沸水堆、重水堆等核電機(jī)組。不僅進(jìn)一步證明了核能發(fā)電的技術(shù)可行性,而且也證明了核電的經(jīng)濟(jì)性,即在經(jīng)濟(jì)上能與火電、水電相競爭。 20世紀(jì)70年代因石油漲價引發(fā)的能源危機(jī)促進(jìn)了核電的發(fā)展,當(dāng)時核電發(fā)展的速度遠(yuǎn)大于火電和水電,目前世界上正在商業(yè)運(yùn)行發(fā)電的四百多座核電機(jī)組,絕大部

6、分是在這段時期建成的,稱為第二代核電機(jī)組. 目前,國際上開發(fā)的第三代核電堆型都是熱中子堆,如壓水堆、沸水堆、高溫氣冷堆;因為目前還只有熱中子堆能有把握在近期實現(xiàn)商用化,我國第三代核電的堆型是電功率百萬千瓦以上的壓水堆. 熱中子反應(yīng)堆，它是用慢化劑把快中子速度降低，使之成為熱中子（或稱慢中子），再利用熱中子來進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一種裝置。由于熱中子更容易引起鈾235等裂變，這樣，用少量裂變物質(zhì)就可獲得鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。慢化劑是一些含輕元素而又吸收中子少的物質(zhì)，如重水、鈹、石墨、水等。熱中子堆一般都是把燃料元件有規(guī)則地排列在慢化劑中，組成堆芯。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就是在堆芯中進(jìn)行的。 反應(yīng)堆必須用冷卻劑把裂變能帶出堆芯

7、。冷卻劑也是吸收中子很少的物質(zhì)。熱中子堆最常用的冷卻劑是輕水（普通水）、重水、二氧化碳和氦氣。 自從核電站問世以來，在工業(yè)上成熟的發(fā)電堆主要有以下三種：輕水堆、重水堆和石墨汽冷堆。 輕水堆又分為壓水堆和沸水堆 。 壓水堆：高壓冷卻劑送入反應(yīng)堆，一般冷卻劑保持在120160個大氣壓。在高壓情況下，冷卻劑的溫度即使300多也不會汽化。冷卻劑把核燃料放出的熱能帶出反應(yīng)堆，并進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，通過數(shù)以千計的傳熱管，把熱量傳給管外的二回路水，使水沸騰產(chǎn)生蒸汽 。 沸水堆核電站工作流程是：冷卻劑（水）從堆芯下部流進(jìn)，在沿堆芯上升的過程中，從燃料棒那里得到了熱量，使冷卻劑變成了蒸汽和水的混合物，經(jīng)過汽水分離器

8、和蒸汽干燥器，將分離出的蒸汽來推動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。 沸水反應(yīng)堆發(fā)電系統(tǒng)沸水反應(yīng)堆發(fā)電系統(tǒng) 重水堆按其結(jié)構(gòu)型式可分為壓力殼式和壓力管式兩種。 壓力管式重水堆主要包括重水慢化、重水冷卻和重水慢化、沸騰輕水冷卻兩種反應(yīng)堆。這兩種堆的結(jié)構(gòu)大致相同。 重水堆的突出優(yōu)點是能最有效地利用天然鈾。由于重水慢化性能好，吸收中子少，這不僅可直接用天然鈾作燃料，而且燃料燒得比較透。重水堆比輕水堆消耗天然鈾的量要少，如果采用低濃度鈾，可節(jié)省天然鈾38%。在各種熱中子堆中，重水堆需要的天然鈾量最小。此外，重水堆對燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，能很容易地改用另一種核燃料。它的主要缺點是，體積比輕水堆大。建造費(fèi)用高，重水昂貴，發(fā)電成本

9、也比較高。 石墨氣冷堆核電站 所謂石墨氣冷堆就是以氣體（二氧化碳或氦氣）作為冷卻劑的反應(yīng)堆。這種堆經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，產(chǎn)生了三種堆型：天然鈾石墨氣冷堆、改進(jìn)型氣冷堆和高溫氣冷堆。 天然鈾石墨氣冷堆 是天然鈾作燃料，石墨作慢化劑，二氧化碳作冷卻劑的反應(yīng)堆。 高溫氣冷堆 是石墨作為慢化劑，氦氣作為冷卻劑的堆。它的簡單工作過程是，氦氣冷卻劑流過燃料體之間，變成了高溫氣體；高溫氣體通過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，蒸汽帶動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。 高溫氣冷堆有特殊的優(yōu)點：由于氦氣是惰性氣體，因而它不能被活化，在高溫下也不腐蝕設(shè)備和管道；由于石墨的熱容量大，所以發(fā)生事故時不會引起溫度的迅速增加；由于用混凝土做成壓力殼，這

10、樣，反應(yīng)堆沒有突然破裂的危險，大大增加了安全性；由于熱效率達(dá)到40%以上，這樣高的熱效率減少了熱污染。但是高溫氣冷堆技術(shù)較復(fù)雜。 2000年1月,在美國能源部的倡議下,10個有意發(fā)展核能利用的國家派專家聯(lián)合組成了“第四代國際核能論壇”(generation nuclear Energy International Forum,簡稱GIF),于2001年7月簽署了合約(Charter),約定共同合作研究開發(fā)第四代核能系統(tǒng)(Gen)。這10個國家是:美國、英國、瑞士、南非、日本、法國、加拿大、巴西、韓國和阿根廷。第四代核能系統(tǒng)開發(fā)的目標(biāo)是到2030年或更早的時間里創(chuàng)新地開發(fā)出新一代核能系統(tǒng),使其在

11、安全性、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)發(fā)展性、防核擴(kuò)散以及防恐怖襲擊等方面都有顯著的先進(jìn)性和競爭能力;它不僅要考慮用于發(fā)電或制氫等的核反應(yīng)堆裝置,還應(yīng)把核燃料循環(huán)也包括在內(nèi),組成完整的核能利用系統(tǒng)。 GIF在2002年5月巴黎舉行的研討會上,選定了六種反應(yīng)堆型的概念設(shè)計,作為第四代核能系統(tǒng)優(yōu)先研究開發(fā)的對象。這六種堆型中,有三種是熱中子堆,有三種是快中子堆。屬于熱中子堆的是:超臨界水冷堆;很高溫氣冷堆;熔鹽堆.屬于快中子堆的是:帶有先進(jìn)燃料循環(huán)的鈉冷快堆;鉛冷快堆;氣冷快堆. 可控?zé)岷司圩兌训那熬罢雇煽責(zé)岷司圩兌训那熬罢雇?太陽之所以有這樣大的高溫高壓,是因為它的質(zhì)量是地球的33萬倍,所以它的物質(zhì)之間的相互

12、引力特別大,足以克服帶正電的氫原子核之間的正電斥力,使四個氫原子核聚合成一個氦原子核,就發(fā)出了能量。所以,太陽能本質(zhì)上是核聚變能。 但是,在地球上我們就沒有這樣的條件。由于原子核都帶正電,它們相互間的正電斥力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于質(zhì)量引力,所以在地球上只能靠人工條件來實現(xiàn)聚變。多年的研究說明把原子核約束到一起的主要途徑有二:磁約束和慣性約束.80年代以來,一些大型托卡馬克(磁約束)裝置取得的試驗成果證明了這些聚變裝置的輸出能量能大于輸入能量,宣告了磁約束受控?zé)岷司圩兊目茖W(xué)可行性已被證實。 在此基礎(chǔ)上,歐、美、日、俄四方聯(lián)合開發(fā)的國際熱核試驗反應(yīng)堆ITER已于1988年完成了工程設(shè)計,預(yù)期在2020年前建成,

13、其設(shè)計功率為500MW,等離子體持續(xù)時間大于500s。如果這樣一座大功率的聚變核反應(yīng)堆能如期建成運(yùn)行,將使聚變發(fā)電的工程可行性得到證實.2007年我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，石油占197，天然氣占32，煤炭占704 ，核能占08 ，水電占59 ，煤炭消費(fèi)是我國能源消費(fèi)的最主要部分.世界七大主要發(fā)達(dá)國家(美國、日本、德國、英國、法國、意大利和加拿大)2007年的平均能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)為：石油386 ；天然氣261 ；煤炭169；核能119 ；水電65。2007年除中國外，世界其他主要發(fā)展中國家(印度、巴西、墨西哥、阿根廷、南非和巴基斯坦)一次能源結(jié)構(gòu)平均為：石油361；天然氣251 ；煤炭247 ；核能16

14、；水電125。我國核能發(fā)展戰(zhàn)略 核電燃燒料鏈和煤電燃燒料鏈影響產(chǎn)生的危害比較 廢物量比較上述數(shù)據(jù)的對比分析表明，核電與目前我國能源構(gòu)成中的主體燃煤發(fā)電相比，可以明顯減少二氧化碳的排放，對于環(huán)境保護(hù)和生命安全更為有利。當(dāng)然前提是核電場必須保證安全運(yùn)行，不發(fā)生核素向環(huán)境超劑量的核事故。核能發(fā)展存在兩個制約因素：一是核事故，二是放射性廢物對生核能發(fā)展存在兩個制約因素：一是核事故，二是放射性廢物對生態(tài)和環(huán)境的影響態(tài)和環(huán)境的影響。 與燃煤火電廠相比，核電站對環(huán)境的影響主要是放射性污染。核電站排入環(huán)境中的放射性污染物的數(shù)量與反應(yīng)堆類型、電站功率大小、凈化能力、反應(yīng)堆運(yùn)行狀況等因素有關(guān)。 在早期，核電站每年

15、排出的廢水放射性強(qiáng)度較高，一般為幾居里到幾十居里。但20世紀(jì)70年代后期以來，年排放的放射性強(qiáng)度大大降低，一般小于5居里。在正常情況下由于核電站采用多重屏障保護(hù)，其對環(huán)境的放射性污染很輕微。即使生活在核電站周圍的居民，從核電站排放的放射性核素中接受的輻射劑量，一般也不超過本底輻射劑量的1。只有在核電站反應(yīng)堆發(fā)生堆芯熔化等罕見事故時，才可能對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。 目前我國使用的核反應(yīng)堆為壓水堆，它有4道安全屏障，在設(shè)計上層層把關(guān)，縱深設(shè)防，萬無一失。因此，盡管反應(yīng)堆有較大的潛在危險，但由于采取了一系列特殊的安全措施，相對而言它比火電更安全。自民用 核電站誕生以來，全世界也只發(fā)生過2起較大的事故：

16、1979年美國的三里島和1986年前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站事故，而且這2起事故均系人為操作失誤引起的。 核電可能產(chǎn)生的放射性污染物主要是放射性廢水、放射性廢氣和放射性固體廢物。1座100萬kW核電站，1年卸出的乏燃料約為25 t，其中主要成分是鈾和钚等重金屬。經(jīng)過后處理提取其中的鈾和钚以后，就減少到10 t。 低放射性強(qiáng)度的放射性廢物，通常經(jīng)凈化處理后可直排入環(huán)境中， 中、高強(qiáng)度的放射性廢物則必須進(jìn)行固化處置后埋入地下，讓其放射性核素在較長的時間里自然衰變，逐漸降低其放射性至環(huán)境能接受的水平。中、高放射性廢物的處置費(fèi)用較大，但其數(shù)量甚少。 高水平放射性廢物和長壽命超鈾廢物產(chǎn)生量更少，主要來自核

17、燃料后處理中產(chǎn)生的高放廢液。 目前的處理技術(shù)是把這類高放廢液轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的玻璃固化體，并配以非常耐久的貯存容器，以實施廢物最終處置前的中間貯存。玻璃固化體不僅具有物理、化學(xué)和生物學(xué)意義上的穩(wěn)定性，而且萬一遇水后浸出的放射性核素也很少。從技術(shù)上，高放和超鈾廢物在幾十年內(nèi)的長期中間貯存是完全可以確保安全的。傳統(tǒng)的高放廢物的最終處置途徑是建立地質(zhì)處置庫，即將廢物封隔在位于幾百米深的地下巖層處置庫中，讓放射性核素在較長的時間里自然衰變，逐漸降低其放射性至環(huán)境能接受的水平。我國秦山和大亞灣兩處核電站從澆灌第一罐混凝土開始至首次并網(wǎng)發(fā)電，運(yùn)行至今核燃燒組件包殼完好，蒸汽發(fā)生器管束無泄漏，無超標(biāo)排放事件。核能

18、利用的環(huán)保對策核能利用的環(huán)保對策我國主要通過行政、法律、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和教育五個方面的措施來強(qiáng)化核能利用中的環(huán)境保護(hù)。 在行政措施方面，嚴(yán)格實施對于核設(shè)施的環(huán)境影響評價制度及評審程序，嚴(yán)格實施“三同時”制度及建設(shè)過程中的檢查和建設(shè)后的驗收。 在法律措施方面，國家正在不斷地完善相關(guān)的法律體系，2003年l0月實施了放射性污染防治法，目前正在草擬和組織修訂相關(guān)的法律法規(guī)。國家環(huán)保局還會同有關(guān)部門制定了一系列有關(guān)核廢物管理的環(huán)境政策。 在經(jīng)濟(jì)措施方面，我國借鑒國外的經(jīng)驗，對核廢物管理也將采取“誰污染誰付費(fèi)”的原則，將把廢物的貯存、處理、處置費(fèi)用納入到電費(fèi)之中。在技術(shù)措施方面，我國采用與國際上一致的基本要求， 在教育方面，培養(yǎng)相關(guān)的專業(yè)技術(shù)人才，對在崗的核從業(yè)人員進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)，確保核能的高效、安全生產(chǎn)，也保護(hù)工作人員自身。 在國際上，為了減小核能利用對環(huán)境的影響相應(yīng)地出臺一些環(huán)保公約，其中最重要的是“乏燃料管理安全和放射性管理安全聯(lián)合公約”，它是當(dāng)事國之間有關(guān)放射性廢