固体废弃物结课论文

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核裂变发电

摘要：核能发电（英文：nuclear electric power generation）是一种利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。本文主要介绍了核能发电的原理，并根据不同的分类方式可以分为不同的核反应堆，以及在全面推广核能发电的难点以及一些解决方向。最后简单论述一下发展核电对我国的意义。

关键字：核裂变；核裂变能；核电站；核能发电；

引言：

随着世界人口的持续增长及发展中国家人民生活水平的逐步提高，化石燃料的消耗将会加快。因为化石燃料的有限性，加强可再生能源的利用得到强烈响应，风能、太阳能、水能及生物质能等新兴能源越来越受重视。但这些能源或多或少尚有问题，如风能、太阳能的持续供电及分布问题，水能及生物质能的资源分布及有限问题等，因此核能理所当然地为人们所重视。

1名词解释

1.1核能发电：

利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。

1.2链式反应：

重元素（例如：铀-235、钚-239、铀-233等）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[1]。

1.3核裂变：

重金属元素铀-235的原子核吸收一个中子后产生核反应，使这个重原子核分裂成两个(极少情况下会是3个)更轻的原子核以及2-3个自由中子，还有β和γ射线和中微子，并释放出巨大能量的过程[2]。

1.4 质量亏损：

在核反应中，就是指组成原子核的所有单个质子与单个中子质量的总和与原子核质量之差。

1.5 核裂变能（或称原子能）：

在核反应中，发生质量亏损，并把亏损的质量转化从原子核中释放的能量。符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc2（其中E=能量，m=质量，c=光速常量）。核裂变能是打开原子核的结合力，释放出的巨大能量[3]。(例如：U+n→Sr+Xe+2n，1u产生的能量e=1u*C2=1.660540 2*10(-27)*9*1016=913Mev。则ΔE=m*c2=8.2194*913Mev=5186.4414Mev)

1.6 核反应堆：

又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。2核裂变发电原理

利用核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行链式反应所释放的热能进行发电的方式，它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。

3 核反应堆类型

核反应堆根据燃料类型分为天然铀堆、浓缩铀堆、钍堆；根据中子能量分为快中子堆和热中子堆；根据冷却剂(载热剂)材料分为水冷堆、气冷堆、有机液冷堆、液态金属冷堆；根据慢化剂分为石墨堆、水冷堆、有机堆、熔盐堆、钠冷堆；根据中子通量分为高通量堆和一般能量堆；根据热工状态分为沸腾堆、非沸腾堆、压水堆；根据运行方式分为脉冲堆和稳态

堆等等。核反应堆在概念上的设计可以有900多种，但在现实中的应用非常有限。这里注重介绍压水堆[4]。

3.1 压水堆

3.1.1 定义

使用加压轻水（即普通水）作冷却剂和慢化剂，且水在堆内不沸腾的核反应堆。燃料为低浓铀。

3.1.2设备结构及成分

①主泵（RCP）

它的功用是在正常运行时，使冷却剂强迫循环通过堆芯，载出堆芯热量，然后流过蒸汽发生器传热管内侧，将热量传给蒸汽发生器二次侧给水；事故工况下，排出堆内衰变热。

②稳压器（PRZ）

是用来控制反应堆系统压力变化的设备。在正常运行时，起保持压力的作用；在发生事故时，提供超压保护。稳压器里设有加热器和喷淋系统，当反应堆里压力过高时，喷洒冷水降压；当堆内压力太低时，加热器自动通电加热使水蒸发以增加压力。

③蒸汽发生器（SG）

它的作用是把通过反应堆的冷却剂的热量传给二次回路水，并使之变成蒸汽，再通入汽轮发电机的汽缸作功发电。

④慢化剂

就是用来将快中子能量减少，使之慢化成为热中子或中能中子的物质。选择慢化剂要考虑许多不同的要求。首先是核特性：即良好的慢化性能和尽可能低的中子吸收截面；其次是价格、机械特性和辐照敏感性。

⑤控制棒

在反应堆中起补偿和调节中子反应性以及紧急停堆的作用。控制棒是由硼和镉等易于吸收中子的材料制成的。核反应压力容器外有一套机械装置可以操纵控制棒。控制棒完全插入反应中心时，能够吸收大量中子，以阻止裂变链式反应的进行。如果把控制棒拔出一点，反应堆就开始运转，链式反应的速度达到一定的稳定值；如果想增加反应堆释放的能量，只需将控制棒再抽出一点，这样被吸收的中子减少，有更多的中子参与裂变反应。要停止链式反应的进行，将控制棒完全插入核反应中心吸收掉大部分中子即可。

⑦冷却剂

由主循环泵驱动，在一回路中循环，从堆芯带走热量并传给二回路中的工质，使蒸汽发生器产生高温高压蒸汽，以驱动汽轮发电机发电。冷却剂是唯一既在堆芯中工作又在堆外工作的一种反应堆成分，这就要求冷却剂必需在高温和高中子通量场中工作是稳定的。有较大的传热系数和热容量、抗氧化以及不会产生很高的放射性。

⑧屏蔽层

为防护中子、γ射线和热辐射，必须在反应堆和大多数辅助设备周围设置屏蔽层。其设计要力求造价便宜并节省空间。对γ射线屏蔽，通常选择钢、铅、普通混凝土和重混凝土。

来自反应堆的γ射线强度很高，被屏蔽体吸收后会发热，因此紧靠反应堆的γ射线屏蔽层中常设有冷却水管。核电站反应堆最外层屏蔽一般选用普通混凝土或重混凝土[5]。

3.1.3运作流程

压水堆主要回路有一回路和二回路。一回路就是燃料冷却回路。一回路的水将燃料产生的热量传送到蒸汽发生器中，一般有二至四条独立的蒸汽发生器环路互相并联。一个反应堆都有一台稳压器使一回路的水压维持稳定。在蒸汽发生器中，热能从一回路传到二回路，对二次回路的水进行加热，变成水蒸汽。水蒸气通过汽轮机，并对汽轮机做功，使汽轮机发电。然后通过冷凝器冷却，再由泵抽回到蒸汽发生器中进行加热。工艺流程图如下：

3.1.4压水堆的堆芯形状

压水堆的堆芯近似为圆柱形。一般的高度约为4.2米，直径约3.4米。它由约40000根左右的燃料棒组成。每约200根左右的棒组合成一个燃料组件，组件的横截面为正方形，边长约为0.2米。燃料是3%浓缩铀235的二氧化铀，做成圆柱形芯块，典型的尺寸是长15mm、直径约9.4mm。芯块用陶瓷工艺制造，包括粉末状物质的烧结和压缩。燃料芯块堆盛在锆合金管中[6]。

4 核能发电推广的难点

4.1 核辐射污染

就如其他的工业设施一样，安全是核电站一个非常重要的问题。核材料裂变的过程中产生大量放射性物质。例如大型核电站运行时堆芯的放射总量达到1020Bq。可能在人为或者硬件设施的不合格以及在地震、海啸等的自然灾害下，使得反应堆堆芯的链式反应失去控制，不断释放出原子能，致使反应堆的温度不断升高，从而导致堆芯融化，使得堆芯处的放射性物质扩散。使周围环境造成严重的核污染[7]。

4.2 核废料的处理

核废料是指在核燃料生产、加工或核反应堆用过的，含有α、β和γ辐射的不稳定元素，并伴随有热产生的无用材料。核废料含有一定放射性，可以对生物体细胞的分裂和生长造成影响，甚至杀死细胞。核废物进入环境后，可以通过呼吸、饮食、皮肤接触等途径进入人体。