核能发电利用技术

目录

1 核能简介 (1)

2 核能原料的储量 (1)

3 核能发电 (2)

3.1 核能发电原理 (2)

3.2 核反应堆类型 (3)

3.2.1 压水堆 (3)

3.2.2 沸水堆 (3)

3.2.3 重水堆 (4)

3.3 反应堆核心组件 (5)

3.3.1 慢化剂 (5)

3.3.2 控制棒 (5)

3.2.3 冷却剂 (6)

3.2.4 屏蔽层 (6)

4 核电的利与弊 (7)

4.1 核电的优点 (7)

4.2 核电的缺点 (7)

5 我国核电发展情况 (8)

6 总结 (10)

核能利用技术

1 核能简介

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，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、太阳能的持续供电问题，水能及生物质能的资源有限问题等，因此核能理所当然地为人们所重视。

核能又称“原子能”，即原子核发生变化时释放的能量，如重核裂变和轻核聚变时所释放的巨大能量，是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合爱因斯坦提出的质能转换方程2

E 。

mC

释放能量的形式有三种：核裂变、核聚变、核衰变。

20世纪，核能首先是应用在作为武器的军事方面，后来才作为一种新能源用于民用核动力工业，从而开辟了发展能源工业的一条新路，改变了全球燃料资源有限的状况，改善了化石燃料燃烧时所造成的环境污染。核电作为清洁能源目前已被世界大多数人们所认识。

2 核能原料的储量

据估计，在世界上核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为490万吨和275万吨。这些裂变燃料足可以用到聚变能时代。轻核聚变的燃料是氘和锂，1升海水能提取30毫克氘，在聚变反应中能产生约等于300升汽油的能量，即"1升海水约等于300升汽油"，地球上海水中有40多万亿吨氘，足够人类使用百亿年。地球上的锂储量有2000多亿吨，锂可用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。况且以目前世界能源消费的水平来计算，地球上能够用于核聚变的氘和氚的数量，可供人类使用上千亿年。因此，有关能源专家认为，如果解决了核聚变技术，那么人类将能从根本上解决能源问题。

3 核能发电

3.1 核能发电原理

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。

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。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。除沸水堆外，其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。如图1所示为压水堆核电站示意图：

图1 核能发电原理图

3.2 核反应堆类型

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。

核反应堆的种类很多，这里只介绍比较典型的压水堆、沸水堆和重水堆等，其他堆型与之类似。

3.2.1 压水堆

首先是压水反应堆（如图1），目前世界上所有的商业堆，基本上都是利用核裂变热使水沸腾以产生燕汽的系统。压水堆的结构实际上与火电站的内核很相似，只是提供动力的原料不同。压水堆的热效率不高,仅为33%左右。

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,此锆合金管称为包壳。

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t传送到燕汽发生器中，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。二回路包括一台汽轮发电机组、一个汽轮机旁路、一个向大气排汽的系统、一个凝汽器、数台凝结水泵、一台凝结水加热装t、一个燕汽发生器的给水回路、一个事故给水回路，还包括三个蒸汽发生器与汽轮机之间的蒸汽连结管路。

20世纪80年代，被公认为是技术最成熟，运行安全、经济实用的堆型。其装机总容量约占所有核电站各类反应堆总和的60%以上。最早用作核潜艇的军用反应堆。1961年，美国建成世界上第一座商用压水堆核电站。

3.2.2 沸水堆

沸水堆（如图2）是轻水堆的一种，沸水堆核电站工作流程是：冷却剂（水）

从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒那里得到了热量，使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电。

与压水堆一样，沸水堆的堆芯也是由40000根左右装有低浓铀-235二氧化铀燃料芯块的锆合金包壳燃料棒组成。燃料棒组件每个正方截面包含62根。燃料块比压水堆要大，长约18mm、直径约10.6mm。除燃料棒大外，棒间间隙也大。所以其直径比压水堆的大，约为4.8m，但其高度只有3.8m左右。一座电功率为1000MW的沸水反应堆中的燃料总质量约为150000kg左右。包围堆芯的钢围筒一直延伸到水平面以上。

沸水堆与压水堆不同之处在于冷却水保持在较低的压力（约为70个大气压）下，水通过堆芯变成约285℃的蒸汽，并直接被引入汽轮机。所以，沸水堆只有一个回路，省去了容易发生泄漏的蒸汽发生器，因而显得很简单。

图2 沸水堆示意图

3.2.3 重水堆

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。