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1、核电-,申 森 上海核学会 2008年6月http:/,新能源骄子,一.从核能到核电二.核电站发电原理三.典型的商用核电站构造四.安全清洁高效的核电五.核电站的特殊安全问题六.我国核电发展的过去和将来,核电-,新能源骄子,原子核科学是人类最伟大、最成功的发现之一,核能是人类应用原子核科学的杰出成果,一.从核能到核电,核电是人类核能利用的最重要方面,X射线,天然放射性,质子和中子,放射性物质,人工放射性,射线和射线,铀裂变,原子核的组成,与核能相关的伟大发现,下一页,核能,核能的发现,“漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉。我是死神，我是世界的毁灭者。”,“原子弹之父”奥本海
2、默,从核能到核电,核能的用途,核潜艇,核动力航母,核电厂,氢弹,船用核动力,原子弹,核武器,核电,核能和平利用的历程,1951年，美国利用一座生产钚的反应堆的余热试验发电,1954年，苏联建成世界上第一座核电站,美国、英国和法国相继建成一批核电站,我国秦山核电站于1991年并网发电。,伟大的下一步可控聚变反应堆,地球上实现连续聚变反应发生的条件是温度必须超过82,000,000,磁约束,托卡马克装置,人类的梦想,等离子体,可控聚变,不可控聚变,目前最高温度1,200,000,二.核电站发电原理,1939年梅特纳在研究铀核裂变时发现，当把裂变碎片的原子量相加起来时，其和并不等于铀的原子量，而是小
3、于铀的原子量。并且有异常巨大的能量发出。铀核分裂产生的这个能量，比相同质量的化学反应放出的能量大几百万倍以上。这个质量亏损的数值正好相当于反应所放出的能量，并且根据爱因斯坦的质能关系式算出了每个铀原子核裂变时会放出的能量。爱因斯坦的这个质能关系正确地解释了原子能的来源。就这样，人们发现了“原子的火花”，一种新形式的能量。这个能量就是原子核裂变能，也称核能，或原子能。,E=M C2,E=MC 2,物理基础（1）,但当时，人们只注意到了释放出惊人的能量，却忽略了释放中子的问题。稍后，哈恩、约里奥居里及其同事哈尔班等人又发现了更重要的一点，也是最引人注目的一点，就是：在铀核裂变释放出巨大能量的同时，
4、还放出两、三个中子来。一个中子打碎一个铀核，产生能量，放出两个中子来；这两个中子又打中另外两个铀核，产生两倍的能量，再放出四个中子来。以此类推，这样的链式反应，持续下去，宛如雪崩，势不可挡。这意味着：极其微小的中子，将有能力释放沉睡在大自然界中几十亿年物质中的巨大能量。,物理基础（2）,中国大亚湾核电站,在任意能量的中子作用下可发生核裂变反应，这些核素称为易裂变核素，铀-235（天然核燃料）铀-233（转换核燃料）钚-239（转换核燃料）钚-241（转换核燃料）在天然铀中，铀-235只占0.72%铀-238约99.28%,物理基础（3）,鈣铀云母,铜铀云母,天然铀,裂变核燃料,裂变维持的条件临
5、界,临界：堆芯产生的中子数=堆芯被吸收的中子数,物理基础（4）,怎样维持链式裂变？-临界质量,产生的中子数=被吸收的中子数,一定要维持一定量的中子数，才能保证链式反应延续,物理基础（5）,裂变产生的中子的特性,快中子（0.1Mev）,99.3%瞬发中子,0.65%缓发中子,裂变后百万分之一秒左右放出能量约在12兆电子伏范围内，速度为1400020000千米/秒,慢中子(0.1ev),裂变后几分钟的时间内逐渐释放出来平均能量约在0.5兆电子伏左右,物理基础（6）,慢中子更易被铀-235吸收！,易发生裂变的中子速度热中子,快中子,慢中子,慢化剂,慢化剂,轻水、重水、石墨等,常用慢化剂,用于同中子碰
6、撞，使中子减速的材料称为慢化剂。,H2O,D2O,核电站常用的0.025ev慢中子，又称为热中子,碰撞,减速,12Mev,0.025ev,物理基础（7）,物理基础（8）,足够的体积；中子经济性；易于控制,典型的反应堆结构,保持核反应持续进行的结构反应堆,反应堆的组成（1）,燃料芯块,控制棒,燃料组件,安置核材料的物体燃料棒；冷却燃料棒和带走能量的载体冷却剂；使中子慢化的物体慢化剂；控制中子数量，即控制功率的物体控制棒。,能量转化,机械能,反应堆和动力装置,核能,电能,蒸汽的动能（热能）,核电站的基本构成,蒸汽发生器,反应堆容器,汽轮机,发电机,稳压器,主冷却剂泵,安全壳,冷凝器,主回路(一次侧
7、),二回路(二次侧),核岛,常规岛,压水堆核电站,沸水堆核电站,重水堆核电站,超临界水冷堆核电站,快中子增殖堆核电站,高温气冷堆核电站,聚变核电站,聚变裂变混合堆核电站,超高温气冷堆核电站,三.典型的商用核电站构造,压水堆核电站,蒸汽发生器,反应堆容器,汽轮机,发电机,稳压器,主冷却剂泵,安全壳,一回路冷却水在堆芯内发生沸腾，并将产生的蒸汽直接送给汽轮发电,沸水堆核电站,发电机,汽轮机,反应堆容器,返回,重水堆核电站,重水作慢化剂和冷却剂，天然铀核燃料，不停堆换料,发电机,汽轮机,蒸汽发生器,反应堆容器,返回,高温气冷堆核电站,氦气冷却剂，高温的陶瓷型颗粒燃料，石墨作慢化剂,高温气冷堆的核燃料
8、,蒸汽发生器,反应堆容器,返回,快中子增殖堆核电站,液态金属钠或氦气冷却剂，核燃料再生增殖,反应堆,返回,超临界水冷堆核电站,在水的热力学临界点374，22.1MPa以上运行，冷却水不改变状态直接汽轮机连接,汽轮机,反应堆容器,返回,超高温气冷堆核电站,石墨慢化剂，氦气冷却，出口温度为1000，铀/钚燃料,蒸汽发生器,汽轮机,反应堆容器,返回,氦气冷却剂，出口温度850以上，锕系元素再循环,气冷快堆,汽轮机,反应堆容器,返回,聚变核电站,聚变核电站概念图,聚变反应堆,国际热核实验堆（简称ITER）2006年11月21日在法国总统府爱丽舍宫举行了ITER项目计划联合实施协定及相关文件正式签字仪式
9、。我国科技部部长徐冠华率领中国代表团参加签字仪式并代表中国政府在协定上签字。,ITER选址在法国卡达拉舍,聚变反应堆,我国的核聚变研究已有40多年的历史，取得一系列成果。1984年建成中国环流器一号(HL-1),1995年建成中国环流器新一号和超导装置HT-7。2003年3月在HT-7上，实验取得了重大突破，获得超过1分钟的等离子体放电。2006年9月，我国又自主建成新一代热核聚变装置EAST，首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。,中国环流器一号,四.安全清洁高效的核电,核电被称为是“最
10、新式、最干净、最安全、成本最低”的可持续能源，是目前唯一现实的、可大规模替代化石燃料的能源。作为一种新能源，特别是核能发电在世界范围内发展非常迅速。美国原子能委员会主席路易斯施特劳斯曾夸口说：“我们的子孙后代将永远享用便宜得几乎无需计量的核电。”,核能是干净清洁的能源 核能是经济的能源核能是安全的能源核能是用之不完的能源,环保,大规模,安全,可持续,二氧化碳CO2,煤天然气石油核能,煤天然气石油核能,氮氧化物NOx,二氧化硫SO2,煤天然气石油核能,核能没有污染气体排放！,核能是干净清洁的能源,核能：0,核能：0,核能：0,核能：目前唯一可能替代常规能源！,核能风险与其他风险比较,核能事故风险
11、和人为事故风险比较,核能事故风险和自然灾害风险比较,燃煤电厂与核能电厂风险比较,核能无穷的能源,海洋,核裂变能,核聚变能,铀、钍矿石,如全部利用，能供使用24002800年,氘（来自海水）、锂,40亿万吨,2千多亿吨,如实现可控核聚变，能供使用上千亿年,1公斤铀=2700吨标准煤,五.核电站的特殊安全问题,核安全辐射危害与防护切尔诺贝利事故核电厂的核安全保证,放射性辐射,核电安全风险来源,大理石,核战争,辐射剂量大,陆地射线,核事故,生活中的辐射,电器辐射,建筑材料,天然辐射,医疗辐射,辐射剂量不大,核辐射,宇宙射线,花岗岩,花岗岩,人类日常生活接受的放射性辐照,人体受辐射的生物效应,剂量限值
12、,核电厂的安全保证,确保反应堆堆芯的安全,放射性物质约束,核材料的保管和储存,反应堆不会发生核爆炸的原因,低浓度核燃料燃料之间是有一定距离裂变反应使用的是慢中子 自稳定特性,反应堆中为低速可控的链式反应：核爆炸为不可控链式反应：,高浓度核燃料燃料之间没有距离裂变反应使用快中子 没有自稳定性,广岛原子弹爆炸：,切尔诺贝利事故：,摧毁大批建筑，在四个月内大约有10万人死亡，近5000人死于以后的癌症。,仅反应堆厂房倒塌，31人死亡，周围儿童甲状腺癌的发生率有十万分之几例的增加。,世界上曾发生过的严重事故,三里岛事故（五级）,切尔诺贝利事故（七级）,切尔诺贝利事故,事故反应堆特点：堆型为石墨水冷堆，
13、以轻水当作冷却剂，石墨为中子慢化剂；并利用氦气和氮气来冷却石墨减速中子时所吸收的能量。反应堆发电量为100万千瓦。,事故反应堆的弱点：具有正的反应性反馈特性。,事故后果,在事故发生初期，近30人由于烧伤和急性放射性并发症而死亡 白俄罗斯、俄罗斯和乌克兰儿童的年甲状腺癌的发生率有十万分之几例的增加 没有发现可以归因于辐射的总癌症发生率和死亡率增加的任何科学证据 没有发现白血病增加的任何科学证据 也尚未发现直接与辐射照射有关的非恶性疾病增加的任何科学证据,切尔诺贝利地区公众受辐照的水平逐年下降,核安全管理核安全审查核安全监督核安全设计核安全文化,安全目标安全标准核安全政策：法规、导则、指导文件独立
14、的核安全监管部门,安全设计准则,安全意识和安全行为,现代商用核电厂的安全保障,核安全设计,反应堆的自然防护能力：当链式裂变反应加速时，核燃料能自动并且瞬时地产生一种阻力（负反应性），来使裂变反应减速，防止发生核功率激增。,反应堆的抵抗事故的能力,多样性,多重性,独立性,失效安全,可在线实验,核电技术的发展,发展目标：提高经济性加强安全性减少废物产生量提高防核扩散能力,为此科学家和工程师们开发了第三代核电并且提出了第四代核电的概念，以提高核电厂的综合竞争力。,六.我国核电发展的过去和将来,已经建成运行的核电厂,正在建设的核电厂,计划建设的核电厂,AP1000非能动核电厂,国内运行核电厂现状,90
15、0万千瓦,2007年核电大事记国家制定了核电发展规划国家核电技术有限公司成立核电技术引进招标结果揭晓：美国西屋公司的AP1000技术中标2006年和2007年国家发改委共批准了18座核电站的建设,国内在建核电厂概况,1830万千瓦,国内拟建核电厂概况,1720万千瓦,根据国家计划，到2020年我国核电装机容量将要达到4000万千瓦，同时在建1800万千瓦，相当于再建成30多个百万级核电机组，同时在建10多个机组。这些机组将主要采用 AP1000非能动核电厂技术。,普京在联合国千年首脑会议上发言,科学技术的进步与发展，将使人类的核能利用更加安全,2000年9月，俄罗斯总统普京在美国纽约的世界新千年峰会上提出了推动核电发展的倡议。其具体的技术路线是：（1）用安全性能已改进的第三代核电厂逐步替代老的 核电厂；（2）开发新的核电技术，把目前使用热中子堆的有限核电推向基于快中子增殖堆和闭合燃料循环的大规模核电工业，通过增殖来获得取之不尽的核燃料；（3）采用新的“自然安全”战略，把核电厂固有安全功能扩展到整个燃料循环的安全，还包括放射性废物和核不扩散；（4）在快堆中使用含长寿命放射性物质的燃料，把用干净燃料转变成脏废料的生产过程发展成用脏燃料转变成干净废料的生产过程。,核电，使生活更美好,
