核能应用

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核能应用——一个永不落幕的话题
核反应堆模型
核 反 应 堆
器 机 换 轮 交 汽 热 蒸
发 电
冷 凝 器
机
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核能应用——一子能发电站又称核电站，就是利用一座 或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发 电兼供热的动力设施。反应堆是核电站的关键 设备，链式裂变反应就在其中进行。目前世界 上核电站常用的反应堆有压水堆、沸水堆、重 水堆和改进型气冷堆以及快堆等。但用的最广 泛的是压水反应堆。压水反应堆是以普通水作 冷却剂和慢化剂，它是从军用堆基础上发展起 来的最成熟、最成功的动力堆堆型。
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核裂变原理
核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料 (核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变 反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中 子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大 量能量的过程。反应中，可裂变物的原子核吸 收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若 这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另 一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种 反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能 发电的前提。
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世界上目前建造核电站情况
核电自50年代中期问世以来，目前已取得长足的发展。 到1999年中期，世界上共有436座发电用核反应堆在 运行，总装机容量为350676兆瓦。正在建造的发电反 应堆有30座，总装机容量为21642兆瓦。 目前世界上有33个国家和地区有核电厂发电，核 发电量占世界总发电量的17％，其中有十几个国国家 和地区核电发电量超过各种的总发电量的四分之一， 有的国家超过70％。据资料估计，到2005年核电厂装 机容量将达到388567兆瓦。
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发展简史
19世纪末 英国物理学家汤姆逊发现了电子。 19世纪末 英国物理学家汤姆逊发现了电子。 1895年 德国物理学家伦琴发现了X射线。 1895年 德国物理学家伦琴发现了X射线。 1896年 法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。 1896年 法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。 1898年 居里夫人与居里先生发现新的放射性元素钋。 1898年 居里夫人与居里先生发现新的放射性元素钋。 1902年 居里夫人经过4年的艰苦努力又发现了放射性元素镭。 1902年 居里夫人经过4年的艰苦努力又发现了放射性元素镭。 1905年 爱因斯坦提出质能转换公式。 1905年 爱因斯坦提出质能转换公式。 1914年 英国物理学家卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元， 1914年 英国物理学家卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元，称为 质子。 质子。 1935年 英国物理学家查得威克发现了中子。 1935年 英国物理学家查得威克发现了中子。 1938年 德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。 1938年 德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。 1942年12月 美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。 1942年12月2日 美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。 1945年 日和9 美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。 1945年8月6日和9日 美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。 1957年 苏联建成了世界上第一座核电站------奥布灵斯克核电站。 ------奥布灵斯克核电站 1957年 苏联建成了世界上第一座核电站------奥布灵斯克核电站。 1945年之前 人类在能源利用领域只涉及到物理变化和化学变化。二战时， 年之前， 在1945年之前，人类在能源利用领域只涉及到物理变化和化学变化。二战时，原 子弹诞生了。人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。美国、俄 子弹诞生了。人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。 美国、 罗斯、英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的研究。 罗斯、英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的研究。
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裂变原理演示
核 裂 变 —— —— 链 式 反 应
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核能应用——一个永不落幕的话题
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核反应的源泉——核燃料
铀是高能量的核燃料， 铀是高能量的核燃料，１千克铀可供利用的能量相当于燃 2050吨优质煤 然而陆地上铀的储藏量并不丰富， 吨优质煤。 烧2050吨优质煤。然而陆地上铀的储藏量并不丰富，且分 布极不均匀。只有少数国家拥有有限的铀矿， 布极不均匀。只有少数国家拥有有限的铀矿，全世界较适 于开采的只有100万吨，加上低品位铀矿及其副产铀化物， 100万吨 于开采的只有100万吨，加上低品位铀矿及其副产铀化物， 总量也不超过500万吨，按目前的消耗量， 500万吨 总量也不超过500万吨，按目前的消耗量，只够开采几十 而在巨大的海水水体中，却含有丰富的铀矿资源。 年。而在巨大的海水水体中，却含有丰富的铀矿资源。据 估计，海水中溶解的铀的数量可达45亿吨， 45亿吨 估计，海水中溶解的铀的数量可达45亿吨，相当于陆地总 储量的几千倍。如果能将海水中的铀全部提取出来， 储量的几千倍。如果能将海水中的铀全部提取出来，所含 的裂变能可保证人类几万年的能源需要。不过， 的裂变能可保证人类几万年的能源需要。不过，海水中含 铀的浓度很低，1000吨海水只含有 克铀。 吨海水只含有3 铀的浓度很低，1000吨海水只含有3克铀。只有先把铀从 海水中提取出来，才能应用。而要从海水中提取铀， 海水中提取出来，才能应用。而要从海水中提取铀，从技 术上讲是件十分困难的事情，需要处理大量海水， 术上讲是件十分困难的事情，需要处理大量海水，技术工 艺十分复杂。但是， 艺十分复杂。但是，人们已经试验了很多种海水提铀的办 如吸附法、共沉法、 法，如吸附法、共沉法、气泡分离法以及藻类生物浓缩法 等。 7 核能应用——一个永不落幕的话题
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安全措施 （safety） ）
四重屏障： 四重屏障： 为防止放射性物质外逸设 置了四道屏障： 裂变产生的放射性物质 90％滞留于燃料芯块中； 密封的燃料包壳； 坚固的压力容器和密闭 的回路系统； 能承受内压的安全壳。 多重保护： 多重保护： 在出现可能危及设备和 人身的情况时，进行正常停 堆； 因任何原因未能正常停 堆时，控制棒自动落入堆内， 实行自动紧急停堆； 如任何原因 控制棒未能 插入，高浓度硼酸水自动喷 入堆内，实现自动紧急停堆。
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核能应用——一个永不落幕的话题
目前建造核电站情况
核电自50年代中期问世以来，目前已取得长足的发 展。到1999年中期，世界上共有436座发电用核反应 堆在运行，总装机容量为350676兆瓦。正在建造的发 电反应堆有30座，总装机容量为21642兆瓦。 目前世界上有33个国家和地区有核电厂发电，核 发电量占世界总发电量的17％，其中有十几个国国家 和地区核电发电量超过各种的总发电量的四分之一， 有的国家超过70％。据资料估计，到2005年核电厂装 机容量将达到388567兆瓦。
一个永不落幕的话题
“追风”创作小组
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CONTENTS
• • • • • • 核能的发展历史 核反应原理 核反应的源泉——核燃料 核反应的源泉 核燃料 核裂变的重要应用——核能发电 核裂变的重要应用 核能发电 未来的神话——核聚变 未来的神话 核聚变 核能应用的危害与防护
核反应的源泉——核燃料
氘和氚都是氢的同位素。 氘和氚都是氢的同位素。它 们的原子核可以在一定的条 件下， 件下，互相碰撞聚合成较重 --氦核 氦核， 的原子核 --氦核，同时释放 巨大的核能。 巨大的核能。一个碳原子完 全燃烧生成二氧化碳时， 全燃烧生成二氧化碳时，只 放出4电子伏特的能量， 放出4电子伏特的能量，而氘 氚反应时能放出1780 1780万电子 -氚反应时能放出1780万电子 伏特的能量。据计算， 伏特的能量。据计算，1 公 斤氢/燃料， 斤氢/燃料，至少可以抵得上 公斤铀燃料或l 4公斤铀燃料或l万吨优质煤 燃料。 燃料。 0.03克氘 克氘。 每升海水中含有 0.03克氘。 0.03克氘聚变时释放出采 这0.03克氘聚变时释放出采 的能量相当于300 300升汽油燃烧 的能量相当于300升汽油燃烧 的能量。 的能量。海水的总体积为 13． 亿立方公里， 13．7亿立方公里，共含有几 亿亿公斤的氘。 亿亿公斤的氘。这些氘的聚 变所释放出的能量， 变所释放出的能量，足以保 证人类上百亿年的能源消耗。 证人类上百亿年的能源消耗。 而且氘的提取方法简便， 而且氘的提取方法简便，成 本较低， 本较低，核聚变堆的运行也 是十分安全的。因此， 是十分安全的。因此，以海 水中的氘、 水中的氘、氚的核聚变能解 决人类未来的能源需要' 决人类未来的能源需要'将展 示出最好的前景。
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重水堆核电站与快堆核电站
以重水堆为热源的核电站。 重水堆是以重水作慢化 剂的反应堆，可以直接利用 天然铀作为核燃料。重水堆 可用轻水或重水作冷却剂， 重水堆分压力容器式和压力 管式两类。 重水堆核电站是发展较早的 核电站，有各种类别，但已 实现工业规模推广的只有加 拿大发展起来的坎杜型压力 管式重水堆核电站。 由快中子引起链式裂变反应 所释放出来的热能转换为电 能的核电站。 快堆在运行中既消耗裂 变材料，又生产新裂变材料， 而且所产可多于所耗，能实 现核裂变材料的增值。 目前，世界上已商业运行 的核电站堆型，如压水堆、 沸水堆、重水堆、石墨气冷 堆等都是非增殖堆型，主要 利用核裂变燃料，即使再利 用转换出来的钚-239等易裂 变材料，它对铀资源的利用 率也只有1％—2。
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工作原理
压水堆核电站 沸水堆核电站 重水堆核电站 快堆核电站
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压水堆核电站与沸水堆核电站
以压水堆为热源的核电站。 它主要由核岛和常规 岛组成。压水堆核电站核岛 中的四大部件是蒸汽发生器、 稳压器、主泵和堆芯。在核 岛中的系统设备主要有压水 堆本体，一回路系统，以及 为支持一回路系统正常运行 和保证反应堆安全而设置的 辅助系统。。 以沸水堆为热源的核电站。 沸水堆是以沸腾轻水 为慢化剂和冷却剂并在反应 堆压力容器内直接产生饱和 蒸汽的动力堆。沸水堆与压 水堆同属轻水堆，都具有结 构紧凑、安全可靠、建造费 用低和负荷跟随能力强等优 点。