第一章 核电站概述 核能的开发与利用

1.4 6.5 11.7 10.8
进入21世纪以来，由于能源的消耗量越来越大以及一
次能量的供量越来越少。世界对环保的要求越来越高，
核电技术越来越成熟。核电经济成本降低，促进各国又 开始重视发展核电，除中国、印度等发展中国家重视核 电外，美国、西欧等发达国家也开始启动新一轮核电计 划。
中共中央最近通过的十一五国家发展计划中提出：以大 型高效机组为重点优化发展煤电，在保护生态基础上有序开发
世界各国核电站
比利时都尔（Doel） 核电站距安特卫普 （ Antwerr） 市 只 有15公里，河对岸 为居民区。
日本美滨（Mihama）核电站离京都约50公里，人们在核电站附 近的海滩游泳。
法国布热（Burey）核电站离法国第二大城市里昂35公里厂区外 面就是居民区。
在法国圣洛亨 核电站附近的 罗瓦河上学生 们在赛船
核能与有机燃料相比，具有无法取代的优点
一个人每年从食品、水、空气、宇宙射线、地壳、
住宅建筑以及看电视、带夜光表、吸烟、x光检查等
天然辐射源和人工辐射源获得的个人辐照剂量当量总
共约为2.3mSv左右，而核电站厂区内每年提供的个人
辐照剂量当量只有0.01～0.05mSv，距离厂区1.5公里
处只有0.007mSv，距离10公里处则只有0.001mSv。
石油危机却使核电深受挫伤。
②、对核电经济性过分乐观，以及核电技术还不够成熟。 电力公司对复杂项目的管理缺乏经验、供货延误、劳资纠
纷、公众接受程度等影响。
③、1979年3月美国三里岛（Three Mile Island-2）核电厂事 故。1986年4月前苏联切尔诺贝利（Chernobyl-4）核电厂事
● 秦山二期二期 2×60万千瓦 ● 阳江 ● 大连 ● 三门 2×90万千瓦 2×100万千瓦 2×90万千瓦
二、核裂变能的开发和利用
二十世纪的伟大科技成果之一, 是人们打开了核能利用的 大门。 1905年,爱因斯坦在他的著名的相对论中列出了质量和能 量相互转换的关系:
E mc
2
式中 E 为能量，单位为erg，m 为质量，
国际社会当然千方百计地防止核战争，尽早实现彻底销毁核武器。核能的和平利用与核武器并 无必然的联系。从历史上看，美、苏、英、法、中各国均先于核电。就是最近印、巴两国核试验装 置的装料也于核电无直接联系，印度所用的装料武器级钚取自两座不接受IAEA防扩散保障的重水研 究试验堆CIRUS和DHRUVA。巴基斯坦所用的装料是高富集铀而不是钚。世界上还没有一个单纯利 用核电厂产出的钚制造核武器的例子。
我国早在1955年，党中央就提出“用原子能发电是动力发展的 新纪元，在有条件时，应用原子能发电，组成综合动力系统”。
1974年，周总 理批准了30万千瓦 压水堆核电站方案， 1985年3月20日正 式开工建设。1991 年12月15日并网发 电，结束了我国大 陆无核电的历史。
秦山核电站
1993年和1994年，从法国进口的广东大亚湾两台90千 瓦的核电机组也相继并网发电。
通过精心设计，使由于裂变而增加的中子数等于被吸收和 泄漏的总和，达到实现能产生裂变的中子数不变。
如何能实现中子倍增率系数等于1
设某代中子数为 n个产生的新一代中 图 子数为3n个，其中n 个被吸收，有n个泄
漏 剩下n个与235U裂
变。
六因子公式
K pf PL PD
核电站不会像原子弹那样产生爆炸
然而，在彻底销毁全世界核武器之前，为了防止核武器的扩散，必须严格管制核材料，依赖和 进一步加强国际防扩散保障体系的有效性。
核工业生产主要环节
矿石－0.1％左右含量天然铀99.28％238U+0.72%235U 铀加工－天然UO2
氟化－天然UF6
同位素分离－富集铀UF6（238U含量达到3％～93％） （扩散法、离心机法） 还原 富集UF6+2H2O 富集铀UO2 ＋4HF
单位为 g ，c 为光速，单位为 cm/s . 这 一公式表明，少量的质量可以转换为十 分巨大的能量，揭示了核能来源的物理 规律．
1938 年，德国物理化学家哈恩和施特拉斯曼发现了铀
－235 的裂变现象，即：
235
核裂变链式反应图
U n A B 2.5n Q
m( 235U ) m( A) m( B) 2.5m(n) m
于1951年使用生产（钚）的反应堆余热发电，1954 年前苏联建成世界第一座核电站，之后英国、法国 相继建成生产军用钚和发电两用的气冷堆核电站， 至70年代中期全世界进入了发展核电站的高潮，法
国、日本、韩国等坚持以发展核电为主的方针。迄
今，全世界已经、建成核电站500余座，核发电量占 发总电量的17%，其中法国占76%，是世界之最。
我国已有和正在建设的核电站
● 秦山一期 1× 30万千瓦 （自主建造）
● 秦山二期
● 秦山三期 ● 大亚湾 ● 岭澳 ● 田湾 ● 岭澳二期
2×60万千瓦
2×100万千瓦 2×90万千瓦 2×90万千瓦 2×100万千瓦 2×90万千瓦
（自主建造）
（加拿大） （法国） （法国） （俄罗斯） （法国） （自主建造） （国际招标） （俄罗斯） （国际招标）
一座1Gw的轻水堆，在标准的运行工况下，年排放的乏金属燃料重
金属总量为22.5t,其中除可经后处理回收的铀、钚同位素总共22454.8kg 外，有总量约为34.5kg的超铀少量锕系核素(MA）及约50kg的长寿命裂
美国投放在日本广岛的原子弹爆炸情况
我国通过自力更生，大力协同，于1964年10月16日成功地爆炸了我 国第一颗原子弹，打破了西方大国的核垄断和核讹诈。
经过两年零八个月，于1967年6月17日又成功地爆炸了第一颗氢弹，从此使 我国进入了世界核大国行列，大大增强了我国防力量，提高了国际地位。
核能的和平利用始于上世纪50年代初期。美国
水电，积极发展核电，加强电网建设，扩大西电东送规模。
并且提出核电厂建设的国产化是顺利发展我国核电的关键。
积极发展核电的涵义 到2020年，我国核电发展量达4000万千瓦， 占全国发电总量由现在的1.2％提高到4％。同 时还要在建1700万千瓦。目前我国已有和正在 准备建设的核电站有21台机组（已运行9台， 正在建设12台）。
因为核电站反应堆堆芯燃料易裂变材料235U的含量只 有3%而原子弹中235U含量为93%。由量变到质变，含量低
时链式反应为可控，含量高时不可控。
发展核电不会造成核武器扩散
今日的世界存在着巨大的贫富差异。占世界80％的发展中国家的人均电力消费量仅约为发达国 家的1/10，他们为了发展经济和提高人民生活水平，今后必然大力提高能源和电力的消费量，而导 致全球消费量的大幅上升。 据世界能源理事会（WEC）估计，到2020年全世界能源消费将比现在增 加50％～75％到2050年增加250％。这当然不能像现在这样90％依靠化石燃料。环境污染特别是CO2 排放引起全球气候变暖的威胁，不容许这样做。目前能大规模使用的清洁能源只有核能。人类社会 的可持续发展需要核能。
量每十年翻一番。各国工业界石油供应不上，另一方面
随着核技术发展，核电显示出优越的经济性，所以美、 苏、日、西欧制定了庞大的核电规划。
1981－2000年，滞缓发展阶段 ①、1973和1979年世界上发生了两次石油危机，石油价格 暴涨，促使各国经济发展速度迅速减缓，对能源的需求大
大降低，所以第一次石油危机刺激了核电发展，但后两次
一次能源储量越来越少
根据评估，按目前的能源消耗速度，可采油、气储量
只能延续70－80年，煤炭可用200年，而且全世界石油的
地理分布很不均匀，许多国家缺少这种资源，应该尽量节 约石油供无可替代的运输燃料和有机化工原料等之用。
全世界和我国目前的能源结构（2000年统计数据） 煤 石油 燃起 水电 可再生能源 （太阳能、 风能等） 2.6％ 7.6％ 0.1％ 核电
故对核电产生了深远的不利影响。
世界核电容量增长情况 年份 核电当年装机容 电力当前装机 量/Gw 容量/Gw － 1.2 137 543 核电容量占 电力容量份 额％ 0 0.2
1950 1960
1970 1980 1990 2000
16.5 135.0 325.9 351.3
1150 2080 2795 3245
核能与有机燃料相比，具有无法取代的优点
3、核电是安全的能源。
核电站有四层保护。 第一层是燃料芯块。每块高10mm，直径 6mm（或5mm）， 芯块里面是很小颗粒燃料烧结起来的。
第二层是把芯块装在不锈钢做的空心棒内。
第三层是把所有的燃料棒装在一个直径为3 米的不锈钢压力壳内，盖上盖子。 第四层是安全壳，它由一米厚的钢筋混凝 土建成。
全世界 25.0 ％
40.0 ％
24.7 ％
中国
63.8 ％
30.1 ％
3.0％ 2.5％ 0.6％ —
核能与有机燃料相比，具有无法取代的优点
1、核能是地球上储量最丰富的能源，又是能量高度浓集的 能源。
一吨金属铀裂变产生的能量相当于240万吨标准煤。有资
料表明，按照地球上有机燃料的储量和人类年能耗的情况估
4、核电是经济的能源。
发电厂每度电的成本是由建造折旧费、燃料费和
运行费三部分组成，从国外一些国家的资料可以看
出，核电的发电成本一般要比煤电低15—30%。
四国核电、煤电、气电贴现成本
5、以核电代替煤电，有利于资源的合理运用。
煤和石油是重要的工业原料，能以它们为原料制造多种 产品，由于它们在地球上储量有限，作为燃料消耗是十分不 划算的。
世界核电发展的几个阶段 1946－1965年，实验示范阶段 美国继1955年建成世界第一艘核潜艇后，于1957年、1960
年先后建成了60Mw和200Mw核电厂。与此同时，前苏联
也与1954、1964年分别建成了5Mw核电厂、265Mw核电 厂。
1966－1980年，高速发展阶段 20世纪五、六十年代，世界石油供应充足、油价低廉， 促进资本主义国家经济飞速发展，一次能源和电力消耗
第一章核电站的概述
第一节核能的开发和利用
一、积极开发核电势在必行
能源的消耗迅速增加
十九世纪产业革命前, 人类能源的消耗增长相当缓
慢。产业革命后迅速增加。近百年来，世界能量消耗
增长了20倍。二十世纪50年代，全世界能源消耗量约
26亿吨标准煤，至80年代已增长到100 亿吨标准煤， 预计在本世纪初将达到200 亿吨标准煤。
燃料组件制造 乏燃料处理
3％左右富集度为核电站燃料，93％富集度为 原子弹燃料 UO2、239Pu、放射性同位素、废物
四、核能发展趋势
裂变能的不足：
裂变能量虽然有许多优点，但是也存在许多 问题：一是地球上铀、钍矿的储量也是有限的， 且许多是无开采价值的；二是乏燃料的回收处理 非常麻烦，且费用昂贵。
算，地球上煤只够使用200年，石油只有70—80年，而地球 已探明的核燃料，按其所含能量计算，相当于有机燃料的20 倍。
核能与有机燃料相比，具有无法取代的优点
2、核能是清洁的能源。
燃料燃烧时那样对环境造成污染。核电站的三废原则上 是回收处理储存，不往环境排放。排放的只是回收处理后的 一点残余的尾水尾气，数量甚微。核电站运行表明，每发 1000亿度电，排放的放射性为1.2uSv；而燃烧煤每发1000亿 度电，燃烧后的灰渣中也含有1.2uSv的放射性物质。
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三 . 能 量 的 产 生 原 理
根据235U链式衰变原理要能稳定地产生能量，必须有 稳定的中子数目与235U核发生裂变反应。
Q vE f
为实现能量持续稳定地产生
235
U n A B 2.5n Q
新一代中子数 K 1 上一代中子数
K称为中子倍增率数 K=1称为反应堆临界条 件 K＜1称为反应堆次临界 条件 K＞1称为反应堆超临界 条件
Q mC 2 200MeV
这个能量来源于原子核内核子的
结合能，它恰好相等于核裂变时 的质量亏损。这一发现，使核能
的利用走向现实。
核能利用是从军用核武器开始的。1942年美国在芝加哥大 学建成了世界上第一座反应堆。 1945年建成了生产 239Pu的反应堆，同时建成 了铀浓缩工厂，并于同年 生产了称为胖子、瘦子、 小男孩三颗原子弹，先后 于1945年8月6日和9日投放 在日本广岛和长崎。