核能和平利用的現(xiàn)狀和前景

核能和平利用的現(xiàn)狀和前景

2/5/20231一、核能在能源中的地位二、核能是怎樣產(chǎn)生的？三、核反應(yīng)堆與核電站四、核電站安全嗎？五、誘人的前景--核聚變發(fā)電六、中國能源發(fā)展戰(zhàn)略2/5/20232

一、核能在能源中的地位2/5/20233

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基本條件，是國家國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，它對(duì)國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速健康發(fā)展和人民生活的改善發(fā)揮著十分重要的促進(jìn)與保障作用。自然也是各國利益爭奪的重點(diǎn)和外交熱點(diǎn)之一。2/5/20234

縱觀社會(huì)發(fā)展史，人類經(jīng)歷了柴草能源時(shí)期、煤炭能源時(shí)期和石油天然氣能源時(shí)期，目前正向新能源時(shí)期過渡，并仍在不懈地為社會(huì)進(jìn)步尋找和開發(fā)更新更安全的能源?？梢韵嘈拍茉吹亩嘣獣r(shí)代即將來臨。2/5/20235

目前，人們能利用的能源仍以煤炭、石油、天然氣為主，在世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，這三者的總和約占93%左右。

所謂一次能源是指從自然界取得的未經(jīng)任何改變或轉(zhuǎn)換的能源，如原油、原煤、天然氣、生物質(zhì)能、水能、核燃料、太陽能、地?zé)崮?、潮汐能等?/5/20236

電力，因其輸送方便和干凈，已成為使用最廣的二次能源。

所謂二次能源是指一次能源經(jīng)過加工或轉(zhuǎn)換得到的能源，如煤氣、焦碳、汽油、煤油、電力、熱水、氫能等。2/5/20237

煤炭和石油發(fā)電在消耗了大量寶貴的化石資源的同時(shí)，放出的廢氣嚴(yán)重污染環(huán)境，大量的燃料運(yùn)輸又給交輸部門增添了沉重的負(fù)擔(dān)。水力發(fā)電因?yàn)橹挥薪影l(fā)電才有工業(yè)利用價(jià)值，且受季節(jié)洪水影響很大，庫區(qū)移民安置問題始終困擾著水電的發(fā)展。2/5/20238

太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿绕渌茉丛谀壳暗募夹g(shù)水平下都很難形成工業(yè)規(guī)模。只有核能是唯一可替代傳統(tǒng)能源(火力發(fā)電和水力發(fā)電)，并能形成工業(yè)規(guī)模的新能源。2/5/20239全世界現(xiàn)有440座核電機(jī)組在運(yùn)行，總裝機(jī)為3.668億千瓦（電功率）.核電占全球總電力生產(chǎn)量的16％，核電已成為世界能源結(jié)構(gòu)中重要組成部分之一。2/5/202310

全世界共有6個(gè)國家的核電在國家電力生產(chǎn)中的比例超過50％，有19個(gè)國家的核電在國家電力生產(chǎn)中的比例超過20％，其中：

法國（78％）、韓國（38％）、

立陶宛（72％）、德國（32％）、

斯洛伐克（55％）、日本（29％）、

比利時(shí)（55％）、西班牙（23％）、

瑞典（52％）、美國（20％）、

烏克蘭（51％）、英國（20％）。

2/5/202311NUCLEARPOWERPLANTSINFORMATION

2/5/202312

按照正在運(yùn)行的核電機(jī)組數(shù)來排列美國（104）、德國（17）、法國（59）、加拿大（17）、日本（54）、烏克蘭（15）、俄國（31）、印度（15）、英國（23）、瑞典（10）.

韓國（20）、2/5/202313

我國（不包括臺(tái)灣在內(nèi)）現(xiàn)有

9臺(tái)核電機(jī)組在運(yùn)行，核電僅占全國電力生產(chǎn)總量的2.2％.

我國臺(tái)灣還有6臺(tái)核電機(jī)組在運(yùn)行，核電占臺(tái)灣電力生產(chǎn)總量的25％.2/5/202314二、核能是怎樣產(chǎn)生的？2/5/202315自然界中存在的千萬種物質(zhì)分子原子(元素)電子質(zhì)子中子原子量水H2OHO1818081.007915.999二氧化碳CO2CO68686812.01115.999鹽NaClNaCl11171117111822.989835.453天然鈾U同位素U238(約占99.3%)U235(約占0.7%)U233(極少)929292929292146143141238.0292/5/2023162/5/202317原子核

Nucleus

原子核的體積很小，位於原子的中心，由質(zhì)子和中子組成。

質(zhì)子帶有正電荷。

電子環(huán)繞著原子核運(yùn)轉(zhuǎn)，電子帶負(fù)電荷。

2/5/202318

氦原子結(jié)構(gòu)示意圖

氦原子由原子核與核外電子構(gòu)成，核內(nèi)有2個(gè)質(zhì)子（帶正電）、2個(gè)中子（電中性），核外有繞核高速運(yùn)動(dòng)的2個(gè)電子（帶負(fù)電）。原子核的半徑約占原子半徑的幾萬分之一。

2/5/202319核裂變Nuclearfission

核裂變是一個(gè)質(zhì)量數(shù)較大的原子核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的原子核，並有中子和能量放出。2/5/2023202/5/202321核聚變

Nuclearfusion

核聚變是兩個(gè)原子質(zhì)量小的原子核結(jié)合成一個(gè)原子質(zhì)量較大的原子核，並釋放出大量能量。

2/5/202322氘氚聚變反應(yīng)2/5/202323

核裂變和核聚變之所以能釋放能量是由于重核核裂變和輕核核聚變時(shí)出現(xiàn)原子核質(zhì)量虧損。

按照愛因斯坦質(zhì)能轉(zhuǎn)換定律：

E=MC2

其中E能量(爾格)

M質(zhì)量(克)

C光速=3x1010厘米/秒2/5/202324

重核裂變成中等質(zhì)量原子核時(shí)釋放的能量，稱為核裂變能。

輕核聚合成中等質(zhì)量原子核時(shí)釋放的能量，稱為核聚變能。2/5/202325

核裂變是原子彈以及當(dāng)今世界上所有核電站的原理。

核聚變是氫彈以及太陽上發(fā)生的反應(yīng)的原理。2/5/202326三、核反應(yīng)堆與核電站2/5/202327核反應(yīng)堆

Nuclearreactor

核反應(yīng)堆，又稱為原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配核燃料從而實(shí)現(xiàn)可控裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。2/5/2023282/5/202329

鈾-235的原子核受到外來中子轟擊時(shí)，一個(gè)原子核吸收一個(gè)中子分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)放出2-3個(gè)中子。這些裂變產(chǎn)生的中子又去轟擊另外的鈾-235原子核，引起新的裂變，如此持續(xù)進(jìn)行就形成了裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。2/5/202330

在核反應(yīng)堆中，加入吸收中子的材料(如硼、鎘)吸收多余的中子，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在可控條件下，就是可控裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

2/5/2023312/5/202332裂變材料

慢化劑

冷卻劑

核反應(yīng)堆堆型

稍加濃鈾H2OH2O

輕水堆

(壓水堆、沸水堆)

稍加濃鈾石墨H2O石墨慢化

輕水冷卻堆

稍加濃鈾D2OH2O重水慢化

輕水冷卻堆

天然鈾D2OD2O重水堆

(CANDU型)

天然鈾石墨CO2氣冷堆

鈾-钚混合Na鈉冷快中子堆2/5/2023332/5/202334

第一代是指上世紀(jì)50代到60年代初建成的幾座示范型核反應(yīng)堆發(fā)電機(jī)組，目前已全部關(guān)閉。

第二代是指上世紀(jì)60年代起至今建成的四百多座核反應(yīng)堆發(fā)電機(jī)組，除少數(shù)因達(dá)到壽期關(guān)閉外，絕大多數(shù)仍在運(yùn)行中。

第三代是指正在開發(fā)中的性能更好的核反應(yīng)堆發(fā)電機(jī)組。2/5/2023352/5/202336

歐洲壓水堆(EPR)是目前唯一在建的第三代反應(yīng)堆，是一種改進(jìn)型的壓水堆。EPR的電功率約1600MWe；建造工期縮短，從澆注第一罐混凝土到調(diào)試運(yùn)行僅需57個(gè)月；能源利用效率提高36％，達(dá)到現(xiàn)在輕水反應(yīng)堆最好的水平；其服役壽命可延長至60年；

同等發(fā)電量，EPR比一般輕水堆少用15％的鈾燃料，因此也減少了廢物產(chǎn)量。

2/5/202337

芬蘭在2003年12月18日與AREVA和西門子聯(lián)合體簽署合同，在芬蘭的Olkiluoto

廠址建造一臺(tái)EPR機(jī)組。第一罐混凝土已于2005年年中澆灌。

法國電力公司決定在諾曼底的弗拉芒維爾廠址開始建造EPR系列的首臺(tái)機(jī)組。該項(xiàng)目將于2007年開始，預(yù)計(jì)5

年完成

。2/5/202338

核電站與火電站(燃煤電站和燃油電站)相比有很多優(yōu)越性。

第一，從能量角度看，裂變能比化學(xué)能大得多。1公斤鈾裂變釋放的能量＝2700噸優(yōu)質(zhì)煤所釋放的能量。2/5/202339

第二，從資源角度看，已探明鈾礦、釷礦按蘊(yùn)藏的能量計(jì)算為所有有機(jī)燃料的20倍。

而石油、煤等有機(jī)燃料是極有用的化工原料，在地球上形成時(shí)間約億萬年，按已探明和預(yù)計(jì)的蘊(yùn)藏量計(jì)算，石油和天然氣僅夠使用50－70年，煤僅夠使用140－200年。2/5/202340

第三，從運(yùn)輸角度看，100萬千瓦核電站每年需補(bǔ)充的鈾235不到

1噸，每年只需運(yùn)輸一次燃料組件約27噸。

而100萬千瓦煤電站每年需燒煤260萬噸，每天必須有一艘萬噸巨輪或五列1400噸的火車運(yùn)煤。2/5/202341

第四，從環(huán)境保護(hù)角度看，核電站不排放CO2、SO2、

NOx、灰塵等有害人體健康的物質(zhì)，排出的放射性廢物在排放之前均處理到排放限值以下。

而100萬千瓦的煤電站排出：

CO2650萬噸/年、SO2900噸/年、

NOx4500噸/年、灰塵32萬噸/年(其中有毒重金屬400噸/年)，大多未經(jīng)處理直接排入環(huán)境。

2/5/202342

由快中子引起裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)堆，叫做快中子反應(yīng)堆（簡稱快堆）。

2/5/202343快堆的優(yōu)點(diǎn)：

(1)快堆可利用占天然鈾99.3%的

鈾－238，把鈾資源的有效利用

率增大數(shù)十倍。

(2)快堆核電站是熱中子堆核電站

最好的繼續(xù)。快堆可利用核工

業(yè)發(fā)展堆積的大量貧鈾(含

鈾－235很少的鈾－238），用

貧鈾來發(fā)電，并增殖燃料。

2/5/202344

目前快堆的主要問題是驗(yàn)證其經(jīng)濟(jì)性。只有當(dāng)快堆在經(jīng)濟(jì)上可以與目前的壓水堆競爭時(shí)，快堆才有可能大規(guī)模進(jìn)入市場。

2/5/202345四、核電站安全嗎？2/5/202346

核技術(shù)，因在其應(yīng)用中產(chǎn)生不穩(wěn)定核素而放出電離輻射，有可能對(duì)人體健康帶來危害，特別是核技術(shù)最初用于軍事，原子彈爆炸的陰影長期留在人們的記憶中，切爾諾貝利事故后西方反核勢(shì)力和媒體的夸大宣傳，公眾普遍存在恐核心理。因此，核安全受到世界范圍的特殊的重視。

2/5/202347

為了保證核安全，取得公眾的信賴，世界各國在核電站的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行和退役過程中，采取了一系列技術(shù)措施及管理措施，以國家法律和法規(guī)的形式頒布并嚴(yán)格實(shí)施。

2/5/202348

對(duì)于電離輻射對(duì)人體健康的危害需要科學(xué)地對(duì)待。

首先，必須將作為民用的核電站與作為軍用的核武器（原子彈）嚴(yán)格區(qū)別開來。2/5/202349

核電站

原子彈

用途民用軍用

燃料3%U23593%U235

反應(yīng)臨界，可控超臨界，不可控

利用熱能沖擊波，熱輻射

放射性封閉外泄

2/5/202350放射性輻射對(duì)人體的健康效應(yīng)

（1）確定性效應(yīng)：皮膚燒傷直至急性死亡。

臨床經(jīng)驗(yàn)表明，放射性輻射對(duì)人體的健康效應(yīng)存在一個(gè)閾值。

只有當(dāng)受照劑量大于數(shù)千毫希伏以上才會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的放射性病，甚至急性死亡。2/5/202351

切爾諾貝利事故受照者的輻射效應(yīng)研究結(jié)果:1986－1987年間約有20萬人參與事故后清理工作，他們是受照射最嚴(yán)重的人群，平均受劑量約100毫希伏。其中134人確診為輻射綜合癥，這134人中有28人在頭三個(gè)月內(nèi)死去(預(yù)計(jì)受到數(shù)千毫希伏的致死劑量)。確診為輻射綜合癥134人中,在1987－1996年間有14名患者死亡，但他們的死亡不一定全歸因于輻射效應(yīng)。2/5/202352（2)隨機(jī)效應(yīng)：癌癥及遺傳效應(yīng)。

在對(duì)廣島、長崎原子彈爆炸的10萬幸存者的40多年隨訪表明，輻射造成的癌癥死亡僅占癌癥總死亡人數(shù)的5%.

在對(duì)這些幸存者后代進(jìn)行的遺傳效應(yīng)研究表明，其第一代未發(fā)現(xiàn)明顯的遺傳效應(yīng)，預(yù)計(jì)以后幾代的遺傳效應(yīng)也將微乎其微。

2/5/202353

核電廠運(yùn)行產(chǎn)生的環(huán)境劑量調(diào)查

在由幾個(gè)反應(yīng)堆機(jī)組組成的核電廠廠址邊界上的測(cè)量結(jié)果:

放射性廢氣對(duì)周圍居民產(chǎn)生的全身劑量小于0.1mSv/年

放射性廢液對(duì)周圍居民產(chǎn)生的全身劑量小于0.05mSv/年

而宇宙射線及地下放射性核素造成的天然輻射本底值平均為2.4mSv/年。2/5/202354

反應(yīng)堆廠址周圍1500萬居民各類事故引起的死亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)

機(jī)動(dòng)車事故1200人/年

墜落事故1500人/年

火災(zāi)560人/年

觸電90人/年

雷擊8人/年

反應(yīng)堆(100座)事故

0.3人/年2/5/202355核電廠運(yùn)行安全目標(biāo)：

（1）核電廠運(yùn)行對(duì)公眾個(gè)人產(chǎn)生的平均急性死亡風(fēng)險(xiǎn)低于因其它事故產(chǎn)生的個(gè)人總急性死亡風(fēng)險(xiǎn)的千分之一；

（2）核電廠運(yùn)行對(duì)接近核電站的公眾產(chǎn)生的癌癥死亡風(fēng)險(xiǎn)低于因所有其它原因產(chǎn)生的公眾總癌癥死亡風(fēng)險(xiǎn)的千分之一。

2/5/202356

我國秦山核電廠和大亞灣核電廠自運(yùn)行以來，從未發(fā)生涉及環(huán)境的運(yùn)行事件。三廢處理系統(tǒng)運(yùn)行良好，年排放量遠(yuǎn)低于國家規(guī)定的排放限值。核電廠和地方政府在廠址附近設(shè)置的輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和定期抽樣測(cè)量表明，未對(duì)環(huán)境的輻射水平產(chǎn)生可察覺的影響。2/5/202357六、中國能源發(fā)展戰(zhàn)略2/5/202358

能源資源短缺已成為中國在

發(fā)展道路上面對(duì)的最大挑戰(zhàn)之一。

人均石油可開采儲(chǔ)量只有2.6噸，

人均天然氣可采儲(chǔ)量1074立方米，人均煤炭可采儲(chǔ)量90噸，

分別為世界平均值的11.3％、

４.3％和55.4％。

2/5/202359

我國的水電資源的開發(fā)率僅為15％，遠(yuǎn)低于世界平均水平，也落后于印度、越南、巴西等發(fā)展中國家。我國的水電開發(fā)程度存在著地區(qū)間的明顯差異，東部水電開發(fā)程度為68％，可開發(fā)的大型水電所剩無幾；而西部水電的開發(fā)率僅為

８％，但開發(fā)難度和開發(fā)成本比較大。

2/5/202360

資源量有限僅僅是問題的一個(gè)方面，還應(yīng)看到，長期以來以煤為主的能源結(jié)構(gòu)造成我國能源利用效率低下，經(jīng)濟(jì)效益差，生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重。長遠(yuǎn)看，過度依賴煤炭將對(duì)資源的可持續(xù)供應(yīng)造成壓力。2/5/202361

2005年中國一次能源生產(chǎn)總量約為12.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭占63.83％、石油18.78％、天然氣5.96％、水電核電等11.43％

.2/5/202362

要實(shí)現(xiàn)2020年我國國民生產(chǎn)總值(GDP)翻兩番的戰(zhàn)略目標(biāo)，電力生產(chǎn)至少翻一番，也就是說，到2020年我國總發(fā)電裝機(jī)容量應(yīng)超過8億千瓦，即需新增發(fā)電裝機(jī)容