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1、核能,热工教研室黄素逸 杜一庆,发光发热约50亿年的太阳能源来自何处？,本世纪初，伟大的物理学家、思想家爱因斯坦提出了著名的相对论后，根据他的质能转换公式，人们得知：一切质量都具有能量，反之亦然；质量与能量可以互相转化，质量的耗损与能量的产生成正比。不过，现代科学技术还做不到把一定的质量全部转化为能量，但部分质量的转化已经实现。例如，原子核聚变反应、裂变反应，以及某些质量不大的正、反基本粒子的湮没反应等等。,发光发热约50亿年的太阳能源来自何处？,1938年，美国物理学家贝特和德国天文学家魏扎克各自独立地指出：在太阳里存在着4个氢核合成一个氦核并释放出能量的大规模的热核聚变反应。能否使热核聚变
2、反应所产生的能量有控制地释放出来，让它为人类服务，是科学家们正在探索的一个问题。他们设计了种种被称为受控热核聚变的实验装置。例如，1984年我国就建成并顺利启动了名为中国环流器一号的受控热核聚变实验装置。可见，人类接触和应用核能的历史是源远流长的。,受控热核试验装置中国环流器一号,原子内部结构之谜是怎样揭开的？,1896年，法国物理学家亨利贝可勒尔从铀盐的实验中发现了天然放射性，指出铀是一种能放出射线的元素。他还预言了沥青铀矿中除铀以外，一定还存在着未被发现的射线的元素。这一重大发现实际上成为核科技发展史的起点。,亨利贝可勒尔,原子内部结构之谜是怎样揭开的？,贝可勒尔的发现，引起了一位在巴黎大
3、学求学的波兰年轻女子的浓厚兴趣。此人便是后来与法国物理学家皮埃尔居里结婚的玛丽居里。居里夫妇用他们制作的金箔验电器作探测器，在对贝可勒尔射线探索的基础上开展了深入研究，并取得了辉煌成就：1898年，他们先后发现了两个新的放射性元素钋和镭。后来，居里夫人以惊人的毅力，用加热和搅拌等简单方法，整整奋斗了四年，从数以吨计的沥青铀矿石和铀盐矿渣中成功地制取了仅0.1克氯化镭。接着，她又用电解法获得金属镭，并精确地测定了它的相对原子量。放射性元素镭的发现既具有重大理论价值，又具有巨大实用价值。,原子内部结构之谜是怎样揭开的？,玛丽居里和丈夫皮埃尔居里,原子内部结构之谜是怎样揭开的？,1911年，英籍物理
4、学家卢瑟福，完成了他那有名的粒子大角度散射实验，并把结果公布于世：他证实了原子中除电子外，还存在着原子核，建立了原子的有核模型。1919年，卢瑟福在用粒子即拟原子核轰击氮原子核时，实现了首次人工核反应，并打出了带正电的粒子-氢原子核。这就是发现质子的实验。,欧内斯特卢瑟福,原子内部结构之谜是怎样揭开的？,20世纪30年代初，在德国物理学家玻特和贝克尔所进行的用粒子轰击铍核的有名实验中，德、法、英、中四国核物理学家都为寻找卢瑟福预言的原子里的中性粒子进行了努力。1932年，英国物理学家查德威克捷足先登发现了中子。中子的发现无疑是继电子、质子、原子核发现后，核物理学家描绘原子内部结构图像最精彩的一
5、笔！,詹姆斯查德威克,原子内部结构之谜是怎样揭开的？,1913年，丹麦理论物理学家尼尔斯玻尔发展了普朗克的量子论，提出了新的原子结构的量子化轨迹说，确定了原子的量子状态由其几个轨道上电子的能级所表征。后来，又经过德国布罗意、薛定谔和泡利等物理学家的努力，终于正确地描述了原子内部结构，提出了仍为当今科学界公认的“小太阳系原子模型”。,尼尔斯玻尔,原子的质量,1905年是核科技史上极为重要的一年。当年，爱因斯坦在他的陋室写出了一篇题为论运动物体的电动力学的论文。正是在这篇区区9000字的论文中，他揭示了狭义相对论的基本原理，提出了著名的质能关系式E=mc2(E为能量，m为质量，c为真空中的光速），
6、它表明物质的质量与能量是可以互换的。这为后来解释核裂变、热核聚变、正反粒子湮没等现象提供了理论依据。1916年，爱因斯坦又创建了广义相对论。相对论是爱因斯坦建立起来的一个宏大而深奥的理论体系，是20世纪人类最光辉的精神产品之一，无论在科学上或哲学上都具有重大意义。,放射性与放射性衰变,原子核自发地放射出，等射线的现象，称为放射性。1898年，贝可勒尔等人通过试验，发现射线在磁场中的偏转现象。1898-1914年，卢瑟福等人又区分出：射线同阴极射线一样，是一种带负电的电子流；射线是一种带正电的粒子流即氦核流。射线是一种波长极短的电磁波，是能量极高的不带电的光子流。至此，人们才揭示了天然射线的真面
7、目。中子数和质子数过多或偏少的核素都是不稳定的，它会自发地蜕变成另一种核素，同时放出射线。这种现象叫做放射性衰变。放射性衰变主要有三种：衰变、衰变和衰变。,放射性与放射性衰变,放射性与放射性衰变,放射性与放射性衰变,核电站的发展概况,核电站的发展概况,核电站的发展概况-世界上第一座反应堆,1942年，以费米为首的一批科学家在美国建成了世界上第一座“人工核反应堆”，首次实现了人类历史上铀核的可控自持链式裂变反应。核反应堆是使核能以可控方式释放的装置。人们建造核裂变反应堆的目的有二：（1）把它当作一个“中子源”，利用裂变产生的大量中子以生产军用与民用同位素，或开展科学研究及实验；（2）将它当作一个
8、“热源”，利用核反应释放的热量以供热、发电或提供动力。,核电站的发展概况-世界上第一座反应堆,核电站的发展概况-世界上第一座反应堆,1954年在库尔恰托夫的主持下，苏联建成了世界上第一座核电站奥布灵斯克核电站。从此，核电站便在世界各地蓬勃发展起来。,History of the BritishIncluded:Establishment of AERE Harwell 1946Aerial View of AERE Harwell in 1948,In 1951,Experimental Breeder Reactor(EBR-1),located at the National Reacto
9、r Testing Station in Idaho,was completed.(USA),EBR-1 Reactor:first US Reactor to supply electricity,核电站的发展概况,早在70年代初，核电站发电的成本就低于火电站。从世界能源资源贮量和需求角度来看，化石燃料贮量日益减少，需要进一步开发新能源。我国发展核电工业已具备良好的基础。,核电站的发展概况-中国第一颗原子弹爆炸成功,1964年10月16日15时，随着主控室“零时”的报出，瞬间，强烈的闪光后，是惊天动地的巨响，接着巨大的火球呈蘑菇状冲天而起。中国第一颗原子弹试验成功了。,核电站的发展概况-中国
10、第一颗原子弹爆炸成功,第一颗原子弹爆炸用的铁塔,核电站的发展概况-中国第一颗氢弹爆炸成功,1967年6月17日，中国第一颗氢弹试验成功了！提前实现了毛泽东在1958年6月提出的“搞一点原子弹、氢弹，我看有十年功夫完全可能”的预言。毛泽东高兴地说：“两年零八个月搞出氢弹，我们现在在世界上是第四位。,核电站的发展概况-中国第一颗氢弹爆炸成功,1.核电站的发展概况-中国第一颗氢弹爆炸成功,氢弹空中爆炸的火球,核电站的发展概况-中国第一颗氢弹爆炸成功,氢弹爆炸时形成的冷凝云,核电站的发展概况-中国5次有代表性的核试验,第一次核航弹试验：核航弹是由飞机携带投掷的核武器。它由核装置、引爆控制系统和包容它们
11、的壳体组成，与飞机形成完整武器系统。核航弹怎样与飞机系统相匹配，涉及的技术领域很宽。我国在核航弹研制中，首先解决了弹体弹道稳定性。对于引爆控制系统，核装置，无线电遥测技术，特别是雷管瞎火等一系列技术难题，做了大量试验研究，1965年5月14日试验成功，标志着中国有了可用于实战的核武器。,核电站的发展概况-中国5次有代表性的核试验,原子弹（航弹）,核电站的发展概况-中国5次有代表性的核试验,第一次核弹头与导弹结合试验导弹弹头与航弹相比，工作条件更为恶劣，体积和重量大幅度减小，要达到安全可靠，涉及到更高的技术要求。1966年10月27日，在中国本土进行了导弹核武器试验，取得圆满成功。,核电站的发展
12、概况-中国5次有代表性的核试验,导弹核武器试验,核电站的发展概况-中国5次有代表性的核试验,第一次地下核试验 地下核试验需要解决的技术难题很多，主要是近区诊断技术的发展与应用。中国第一次地下核试验是平洞试验、于1969年9月23日进行，没有出现哑炮（核爆失败）、放枪（冲击波冲出洞口）、冒顶（把山顶炸开）等情况，试验获得成功。,核电站的发展概况-中国5次有代表性的核试验,含有热核材料的原子弹试验这次试验于1966年5月9日在核试验场进行。试验获得了热核反应的实测数据，达到了预期效果，获得成功。,核电站的发展概况-中国5次有代表性的核试验,氢弹原理试验氢弹原理试验于1966年12月28日按计划进行
13、。试验结果表明，设计方案切实可行，先进简便。这次试验，标志中国已基本上突破了氢弹技术难关。,核电站的发展概况-中国5次有代表性的核试验,中国第一颗试验氢弹在空投中,核电站的发展概况-中国第一个核武器研制生产基地,中国第一个核武器研制生产基地坐落在青海湖畔的“金滩”、“银滩”上，占地1167平方千米，海拔3200米。18个厂区分散布置在万顷草原上。全部建筑（包括临时性建筑）面积共约80万平方米。我国第一代核武器研制研制生产工作者，包括著名科学家，先后研制出第一颗原子弹和第一颗氢弹。中国至今已进行的数十次核试验所用的产品中，有些试验产品是从这里诞生的。在这里还生产了中国第一批服役的核武器。,核电站
14、的发展概况-中国自行设计建造的第一座核电站秦山核电站（压水）,核电站的发展概况-大亚湾核电站,核电站的发展概况-建设中的核电站,继秦山核电站、大亚湾核电站建成投产后，“九五”期间，我国又有4座核电站（8套机组）投入建设。它们是：秦山二期260万千瓦压水堆核电站，秦山三期270万千瓦重水堆核电站，岭澳两个百万千瓦级压水堆核电站，连云港2100万千瓦压水堆核电站。1991年12月31日，我国与巴基斯坦签订了出口一座30万千瓦压水堆核电站的合同。它使我国跻身国际核电市场，成为世界上第八个核电输出国。,核电站的发展概况,秦山三期工程一号反应堆安全壳施工现场,新能源篇核能nuclear energy,核
15、能概述核能的来源链式反应和反应堆各种类型的核电站,一、核能概述1.安全洁净的能源,少污染,少废物,少辐射,2.有竞争力的能源,Coal70Natural Gas0Oil 30Nuclear0,SO2 排放(千兆瓦装置）（千吨/每年）,Coal 26Natural gas16Oil 14Nuclear 0,NO2 排放(千兆瓦装置)（千吨/每年）,CO2 排放(千兆瓦装置)（千吨/每年）,Coal 6000Natural Gas3000Oil 5000Nuclear0,放射性废物：固体、液体、气体（固体贮存，废气废液排放）核电站产生的废物是煤电站的十万分之五,核电站的微量辐射对人们不构成危险。周
16、围的自然环境充满着辐射，常来自土壤、水和空气中的天然放射性以及宇宙线辐射。,各种液体的放射性水准,核电站排放物会使人的一生寿命缩短24秒。这与因抽烟缩短寿命710年相比，可以说微乎其微,1973年开始，主要工业国的核电成本与火电相当。随着石油调价和核电技术的逐步成熟，核电成本已经低于其他电站的成本。,Energy conversion-Fuels,二、核能的来源地球上存在的元素中，第92号元素铀是唯一容易裂变的元素天然铀有三种同位素：铀238，占99.27%；铀235，占0.724%；铀234，占0.006%。,0.724%为铀235的天然丰度。任意找来十万个铀原子，其中的铀235原子是七百多
17、个。,原子核的结合能：中子和质子形成原子核时会放出的能量。Eintein的质能关系式可求得结合能大小：E=mc2不同原子核俘获中子后得到的结合能不同。,当A60的原子核由于某种原因向A=60这个方向变换时，比结合能增大。也就是说，在这样变换时必定伴随着能量的释放。,核能的实际利用有两种方法:核裂变方法；轻核聚变方法。,核裂变,核聚变,核裂变自然界存在的天然铀：238U、235U、234U，仅235U在热中子作用下会发生裂变，也可通过反应堆运行制取233U、239Pu等易裂变核素 目前世界上己建成的核反应堆绝大部分是以235U作为燃料。,核聚变轻核聚变反应：两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核
18、，同时放出巨大的能量由于原子核间有很强的静电排斥力，因此在一般条件下，发生聚变反应的概率很小。,太阳和其他恒星能量的来源：在太阳等恒星内部，因压力、温度极高，轻核有足够的动能克服静电斥力而发生持续聚变。氢弹：利用氢的同位素氘、氚原子核的聚变反应，瞬时间释放出巨额能量以达到毁伤效果的核武器（也称聚变弹或热核弹）。,核聚变的主要问题：它们都带正电，会彼此排斥。只有当原子间距离小到使核力发挥作用时，才能发生聚变反应。,等离子体,目前有代表性的实验装置：环形系统、仿真器型、磁镜型、角向收缩型和激光打靶型。前四种用磁场约束，第五种靠惯性约束；前三种为稳态或准稳态运行，后两种为快脉冲和超快脉冲运行。,（I
19、TER：International Thermonuclear Experimental Reactor）“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，建造约需10年，耗资50亿美元（1998年值）。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。2003年1月，国务院批准我国参加ITER计划谈判，2006年5月，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。2013年1月5日中科院合肥物质研究院宣布，“人造太阳”实验装置辅助加热工程的中性束注入系统在综
20、合测试平台上成功实现100秒长脉冲氢中性束引出。,聚变有望能彻底解决人类的能源问题：轻核聚变用的核燃料系氘和锂-6可以大量从海水中获取，得到比世界储油量多10亿倍的能量，可供人类500亿年之用。,三、链式反应和反应堆1.链式反应K有效=（系统内中子的产生率）/（系统内中子的吸收率+系统内中子的泄漏率）K有效=1，反应堆处于临界状态，即稳定运行工况。K有效1，反应堆处于超临界状态，即开堆或提升功率过程。,2.反应堆的分类（1）按用途分：生产堆：生产核武器装料用的反应堆。为军用服务。动力堆：提供动力用的反应堆，最主要的是核电站和核潜艇用的反应堆。研究堆：为了从事核物理、反应堆材料、核工程等研究用的
21、反应堆。（2）按反应堆采用的冷却剂分类：水冷堆、气冷堆、有机介质堆、液态金属冷却堆,（3）按反应堆采用的核燃料分类：天然铀堆、浓缩铀堆、钍堆（4）按反应堆采用的慢化剂分类：石墨堆、轻水堆、重水堆（5）按核燃料的分布分类：均匀堆、非均匀堆。（6）按中子的能量分类：热中子堆：堆内核裂变由热中子引起。快中子堆：堆内核裂变由快中子引起。,3.反应堆的组成反应堆主要由堆芯、反射层、屏蔽层等几部分组成。,四、各种类型的核电站,（1）压水堆核电站,（2）沸水堆核电站,（3）重水堆核电站,（4）气冷堆核电站,（5）快中子增殖反应堆,（1）压水堆核电站：技术上最为成熟的一种核发电装置。发展经历了四个阶段：实验型
22、核电站示范型核电站 商用核电站 大型核电站（单堆总电功率1000兆瓦以上）,按照压水堆的工作原理，原则上不允许冷却剂水发生沸腾。为了得到高温水，反应堆必须在高压力(15.5兆帕左右)状态下工作。,压水堆主要由堆芯、堆内构件、压力容器和控制棒驱动机构等部件组成,压水堆核电站一回路系统的主要设备除反应堆外，还有蒸汽发生器、冷却剂泵、稳压器以及相应的管道阀门。,蒸汽发生器是一个热交换设备，用来将冷却剂的热量传递给二回路侧工质(水)以产生一定压力、温度的蒸汽。,冷却剂泵分屏蔽泵和轴封泵两种型式。近代压水堆核电站的冷却剂泵一股都采用立式单级轴封泵，这种泵的特点是泵和电动机分开，流量大，耐高温、高压。,稳
23、压器的结构形式是多种多样的。现代大型压水堆核电站一般都采用立式圆筒形电加热蒸汽稳压器。,（2）沸水堆核电站采用轻水作减速剂和冷却剂，与压水堆相比较，具有以下特点：在反应堆本体内直接产生蒸汽，并直接作为工质送入汽轮机。但沸水堆堆芯不如压水堆紧凑。沸水堆电站系统比较简单，系单回路循环。只能从反应堆底部引入控制棒驱动系统及堆芯检测仪表系统，因而使维护检修不便，且反应堆底部应力集中。,其蒸汽带有一定的放射性。采用喷射泵提高冷却剂的循环能力，安全壳带弛压系统。可用控制棒以及改变再循环泵的流量来控制调节功率。运行灵活。但燃料比功率小。,沸水堆电站与压水堆电站各有其优缺点，在技术上和经济上不相上下。是目前国
24、外核电站中仅次于压水堆的主要堆型之一，约占总核发电容量的28%。,（3）重水堆核电站以重水为减速剂的反应堆称重水堆。重水堆的冷却剂可以用重水，也可以用轻水、有机物质或CO2气体。与轻水堆比较，重水堆的主要优点是：因重水的中子慢化能力好，故可以采用价格便宜的天然铀作燃料。能更有效地利用核燃料。由于可连续更换燃料，产钚量比压水堆的高2倍左右。,重水堆主要问题：重水的用量大，价格昂贵；重水回路设备比较复杂，造价高；基本投资费高；重水的泄漏会造成“氚害”。重水堆核电站主要型式是“坎杜”(CANDU)型重水堆。,（4）气冷堆核电站气冷堆是用气体（二氧化碳或氦气）作冷却剂、石墨作慢化剂的一种反应堆。把从堆
25、芯出来的高温气体输送到蒸汽发生器中，将热量传递给二回路的给水以产生蒸汽。主要特点：可在不太高的反应堆运行压力下得到较高的冷却剂出口温度从而可提高电站的循环冷却剂的流量和加大堆芯的传热面积。因而气冷堆的体积大，压送冷却剂的功率消耗十分可观，堆芯布置也没有水冷堆的紧凑。,（5）快中子增殖反应堆快中子反应堆是指由平均能量为0.1兆电子伏以上的快中子引起核裂变的反应堆，简称为快堆。在快中子反应堆中，中子可以使238U转变为易裂变的239Pu，其转换比可以大于1（称为增殖比），而在轻水堆中转换比一般仅为0.5左右，由于快堆具有增殖能力，因此通常又称为快中子增殖反应堆。,快中子反应堆中，9093%的燃料是
26、238U，其余为易裂变同位素。如下图，反应堆布置成两个区域，中央是布置易裂变同位素的活性区，四周是布置被称为“肥料”的再生区。,1-再生区 2-活性区,快中子反应堆特点：从理论上说，在快堆的燃料循环中基本上可以燃尽天然铀，即使考虑到燃耗深度限制和后处理回收损失等因素，铀资源利用率也可以达到6070%甚至更高的水平。快中子反应堆内的中子应保持高速度，快堆内没有慢化剂。快堆的冷却剂必须是导热性能好而又不会慢化和俘获中子的介质。常用的较为理想的快堆冷却剂有两种：一种是液态金属钠或钠钾合金，另一种是氦气。,液态金属冷却快中子增殖反应堆：常以钠作冷却剂。钠是对中子的吸收和慢化作用较小，有优异的传热能力，
27、沸点很高，可以使冷却剂回路在低压高温下工作。由于工作压力低，钠管道和设备的泄漏问题易于解决。用钠作冷却剂的缺点是：与水会发生剧烈反应，形成氢化物。钠在辐照下容易活化，形成放射性同位素22Na和24Na。由于钠能吸附裂变产物和本身易被活化，因此钠会变成一个强放射源，这一点在设计中必须予以重视。,英、法等国家设计采用池式布置方案,美国、联邦德国、日本等国家设计采用的回路式布置方案概图。,气体冷却中子增殖反应堆氦气是惰性气体。其优点是：化学性质稳定；不易与中子发生作用，有较高的增殖能力；在气冷快堆的工作压力和工作温度范围内不发生相变；临界温度很低，故逸入氦气中的氪、氙裂变气体和空气之类杂质易于在低温下用吸附方法清除。不足之处：一是氦气的传热性能较液体冷却剂差，必须将氦气加压到810兆帕，用增加流速等措施提高传热能力；二是氦气价格昂贵且易于泄漏，这要求一次系统的部件和设备严格密封。,
