核电能源转化过程分析

《能源转化过程中的科学问题》课程报告民用核电能源转化过程分析

哈尔滨工业大学

2014年7月

摘要

核能自从应用于民用发电以来就一直以很快的速度发展，这与上个世纪以来的能源危机密不可分。一方面我们的生产生活高度依赖化石能源，对能源的需求量越来越大，另一方面，化石能源即将耗尽。面对能源紧缺的问题，在众多新能源中核能在目前来看是最具优势的。

关键词：民用核电，能源转化，技术，科学问题。

目录

摘要..............................................................I

第一章民用核电能源转化过程绪论 (1)

1.1 课题背景及研究的目的和意义 (1)

1.2 民用核电技术相关理论的发展................................错误！未定义书签。

1.2.1民用核电的发展 (2)

1.2.2 民用和电站系统分类 (4)

第二章民用核电能源转化过程简介 (5)

第三章民用核电能源转化过程关键技术分析 (9)

第四章民用核电能源转化过程科学问题分析 (10)

结论 (15)

第一章民用核电能源转化过程绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

本文将对目前用于商业发电的核能转化过程中的工程问题、技术问题、科学问题进行探讨。总结核能发展的利弊、困难和趋势。

核能自从应用于民用发电以来就一直以很快的速度发展，这与上个世纪以来的能源危机密不可分。一方面我们的生产生活高度依赖化石能源，对能源的需求量越来越大，另一方面，化石能源即将耗尽。面对能源紧缺的问题，在众多新能源中核能在目前来看是最具优势的。核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。核电站可以有很大的转机容量，第三代核电系统的单机容量已超过一千兆瓦。核能也具有太阳能、风能所没有的稳定性。相比之下，只有核能能够正在有效地缓解供电压力。如今，使用化石燃料所带来的日益严重的环境问题，使核能的开发在今天显得更为迫切。在1月下旬于联合国纽约总部举行的“2014气候风险投资人峰会”上，《联合国气候变化框架公约》秘书处执行秘书菲格雷斯表示，要想实现将气温升幅控制在2摄氏度以内的全球目标，必须提高对清洁能源技术的投资，国际社会需要在2050年前为清洁能源项目投入36万亿美元，相当于每年投入1万亿美元。“然而，以2012年为例，全球清洁能源投资总额仅为2.81亿美元，远远低于实际需求。”在气候指标的倒逼下，包括核能在内的清洁能源投资将是资金流向的热潮领域。[1](2013年全球核电发展状况回顾，中国行业研究网，2014.3.6）

1.2民用核电技术相关理论的发展

1895年伦琴发现了X射线

1896年贝克勒尔发现了放射性

1897年汤姆逊发现了电子

1898年居里夫人发现了钍、钋，1902年提炼出镭

1905年爱因斯坦发表质能关系式

1914年卢瑟福发现质子

1920年卢瑟福提出中子假说

1932年查德威克发现中子，费米开始用中子轰击核素，发现新核素镎

1939年奥托·哈恩提出分裂核理论，发现链式反应

中子轰击——吸收中子——裂变反应——产生中子

维持链式反应的条件——利用中子>=1。

1.2.1民用核电的发展

核能，作为上世纪出现的新型能源，从最初的理论到震惊世界的终极武器，再到如今占据世界总发电量14%的重要电力来源，有关核能利用的争论一直在持续。作为一种清洁、高效，但可能在极端情况下带来灾难的能源，核电的优势在于清洁和高效。目前核电反应堆采用的是裂变原理，而1千克铀-235全部裂变放出的能量约为82000亿焦耳，这相当于2700多吨标准煤燃烧放出的能量，同时不产生任何废气和颗粒物。

1951年，美国人在爱达荷州首先实现了利用核能反应堆发电，人类对核能的和平利用就此开始。

1954年，前苏联在位于莫斯科西南的奥布宁斯克建成了世界上第一座核电站，当时它的装机容量只有5000千瓦。

而到今天，全球在运行的核电机组总数达到437个，总装机量为37530万千瓦。核电发电量占世界总发电量的14%。

世界上发电量第一个达到1万亿度的是法国的格拉弗林核电站，这相当于少燃烧了3.5亿吨煤、2.2亿吨石油或者600亿立方米天然气。

世界核电生产能力最强的国家是美国，截止2013年12月，美国共拥有104座核电站。

核电发电量占全国总电力比例最高的国家是法国，核电发电量占全国总电力的比例为74.8%。

如今核电在全球的分布很广泛，拥有核电机组较多的国家依次为：美国104个、法国58个、日本50个、俄罗斯33个、韩国23个、印度21个、加拿大19个、中国17个，英国16个、乌克兰15个、瑞典10个。

世界核电发展历程分为四代。首先是1954-1965年的实验示范阶段，在此期间世界共有38个机组投入运行，属于早期原型反应堆，即“第一代”核电站；

从1966-1980年间，世界共有242个机组投入运行，这就是“第二代”核电站。在此期间，成功吸收了美国核电技术的日本、法国，核电发电量增长都超过了20倍。法国核电发电量增加了20.4倍，比例从3.7%增加到40%以上；日本核电发电量增加了21.8倍，比例从1.3%增加到20%。

然而，刚刚走上快车道的世界核电，接连遭遇了1979年美国的三里岛核事故以及1986年前苏联的切尔诺贝利核事故，直接导致了世界核电的停滞，核电站的安全可靠开始引起人们的重视。为此美国和欧洲先后出台了“轻水堆用户要求”文件（utility requirements document，动画显示URD文件）和“欧洲用户对轻水堆核电站的要求”（European utility requirements document，动画写成EUR文件）。能够满足这两种要求的核电技术，被划为第三代核电，目前，采用第三代核电技术的我国浙江三门核电厂1、2号机组和山东海阳核电厂1、2号机组正在建设，首台机组最快可能明年开始并网发电，而我国在建的三代核电项目还包括广东台山核电厂的1、2号机组，这使得中国成为目前世界三代核电建设最多、最快的国家。

1999年6月，第四代核电技术概念被美国克林顿政府的能源部首先提出，2000年1月，在美国能源部的倡议下，美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷等十个有意发展核能的国家，联合组成了“第四代国际核能论坛”，中国已成为重要成员国。根据设想，第四代核能方案的安全性和经济性将更加优越，废物量极少，无需厂外应急，并具备固有的安全性和防止核扩散的能力。超临界水堆、超高温气冷堆、熔盐堆、钠冷快堆及气冷快堆、铅冷快堆都是具有第四代特点的反应堆，目前处在技术研发和科研试验原型堆概念设计阶段。[2]（《核电发展现状：占世界总发电量14%》央视网，2014.3.24）

图一核电分代

1.2.2 民用和电站系统分类

目前应用最广泛的是压水堆。压水堆（pressurized water reactor）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。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。压水堆所使用的工质——水在工业上已经使用了数百年，各种性质研究比较透彻，相关的泵、阀门、蒸汽轮机等设备在工业上已经成熟，同时也易于获取；浓缩铀技术已经解决，不再成为瓶颈；在人力物力上做了很大投入，技术上做了大量研究，性能上得到不断改进，并且拥有宝贵实际运行经验。第三代核电中AP1000、EPR等都是用压水堆。

沸水堆，沸水堆（Boiling Water Reactor）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。

沸水堆是由压力容器及其中间的燃料元件、十字形控制棒和汽水分离器等组

成。汽水分离器在堆芯的上部，它的作用是把蒸汽和水滴分开、防止水进入汽轮机，造成汽轮机叶片损坏。沸水堆所用的燃料和燃料组件与压水堆相同。沸腾水既作慢化剂又作冷却剂。

重水堆，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（CANDU型）压力管式重水堆核电站。CANDU型堆的特点是堆心使用压力管(代替压水堆的压力容器)，用重水作为慢化剂和冷却剂,以天然铀作燃料，采用不停堆更换燃料。在技术经济上可与轻水堆竞争。

此外超临界水堆、超高温气冷堆、熔盐堆、钠冷快堆及气冷快堆、铅冷快堆等等。在未来都将投入商业运行。

第二章民用核电能源转化过程简介所有的反应堆最主要的区别就在于慢化剂和工质，而其基本工作原理是大致相同的。首先燃料组件中的燃料开始可控的链式反应，核能转化成了热能，然后让工质流过堆芯，吸收热量后带出，然后用被加热、加压的工质再把热量交换给二次侧的工质（一般是水），再用二次侧的工质去推动汽轮机，将热能转化为机械能，也可以用一次侧的工质直接推动汽轮机。最后汽轮机带动发电机，将机械能转化为电能。如高温气冷堆既可以用高温氦气直接驱动汽轮机，又可以用高温氦气加热水，让水蒸气去驱动气轮机。

图二高温气冷实验堆[3]

图三高温气冷堆氦气轮机直接循环方案[3](《高温气冷堆技

术背景和发展潜力的初步研究》，王捷)

在压水堆中是用堆芯加热一次侧的水，在将高温高压的水通入蒸汽发生器加

热二次侧的水产生水蒸气。

图四压水堆结构示意图[4](百度图片）

在沸水堆中水被加热至沸腾，通过气液分离器将蒸汽分离出来直接驱动汽轮机。

图五沸水堆结构示意图[4]

压力管式重水堆用堆芯加热重水，再将重水通入蒸汽发生器。

图六压力管式重水反应堆示意图[5](《重水堆简介》百度文库）

第三章民用核电能源转化过程关键技术分析

3.1燃料组件

目前使用最广泛的是压水堆所采用的燃料棒。将二氧化铀颗粒封装到锆合金管中，再将若干锆管集成一束构成燃料组件。而高温气冷堆目前使用的是球形燃料元件。

图七高温气冷堆球形燃料元件[6](《高温气冷堆的特点及发展概况》，沈苏)

燃料组件不仅是核反应发生的场所，还是阻隔放射性物质的第一道屏障。在压水堆的燃料棒中，98%以上的放射性物质被封锁在二氧化铀陶瓷中。锆合金管能够耐受很高的温度并封锁反应物。燃料元件由弥散在石墨基体中的包覆颗粒燃料

组成，包覆颗粒燃料直径0.8-0.9mm，中心是直径0.2-0.5mm的核燃料二氧化铀核芯，核芯外面有2到4层厚度、密度各不相同的热解碳和碳化硅包覆层（见图七）。清华大学HTR-10采用全陶瓷包覆颗粒球形燃料元件，直径为0.6，中间直径0.5的球芯是均匀的弥散了燃料包覆颗粒的石墨基体，每个燃料元件球中包含约:8300个燃料包覆颗粒。由于采用全陶瓷包覆燃料元件，其破损外溢放射性的可能性极低。经过实验证明，包覆燃料颗粒破损温度为2100度，这一温度不仅大大超过高温堆运行工况下的最高温度1047度，也大大超过事故工况下的最

高温度，即：这种元件即使在事故条件下，也不会发生放射性物质外泄、危害公众和环境安全的情况。[6]

未来燃料元件的安全性将会不断提高，以保证在事故工况下仍能有效的阻隔放射性物质。

3.2安全壳

安全壳是核岛的最外层屏障，不仅要防止内部的放射性物质扩散以及承受堆心融毁时的高温，还要能承受外部攻击，如地震、海啸、武器、飞机撞击等等，安全壳必须有足够的强度。所以安全壳的修筑工艺至关重要。混凝土的浇灌、钢结构的加工和预埋等等。目前绝大对数安全壳都由两层高进混凝土构成。美国西屋公司的AP1000首创了全钢的外层安全壳，同时在安全壳上还有一个水箱，这种结构可以让安全壳参与热交换，用空气带走反应堆中的余热。水箱可在紧急情况下向两层安全壳之间注水降温。

图八AP1000结构图

第四章民用核电能源转化过程科学问题分析

4.1质能方程 E=mc2

物体的质量是它所含能量的一种度量，如果能量改变了，其质量也就改变了；如果物体以辐射的形式放出能量，那么辐射就在发射体与吸收体之间传递着质量；如果一个物体以辐射形式释放能量E，那么其质量减少E/c2 。推导过程如下：

当外力作用在静止质量为的自由质点上时，质点每经历位移，其动能的增量是，如果外力与位移同方向，则上式成为，设外力作

用于质点的时间为，则质点在外力冲量作用下，其动量增量是，考虑到，有上两式相除，即得质点的速度表达式为，亦即

，根据洛伦兹变换，得质量的变换公式为

，两边平方得,对速度求导：得

注意到等式右边为0，即上式可化为

代入上式得

。

上式说明，当质点的速度v增大时，其质量m和动能Ek都在增加，质量的增量dm和动能的增量之间始终保持

所示的量值上的正比关系。当时，质量，动能，据此，将上式积分，即得

。

上式是相对论中的动能表达式。爱因斯坦在这里引入了经典力学中从未有过的独特见解，他把叫做物体的静止能量，把叫做运动时的能量，我们分别用

和表示：,。

推导：

首先是狭义相对论得到洛伦兹因子

所以，运动物体的质量

然后利用泰勒展开（展开后第二项为零，此处为第一项和第三项）：

得到

其中

为静止能，

就是我们平时见到的在低速情况下的动能，后面的省略号是高阶的能量。证明

根据

公式，运动时物体质量增大，同时运动时将会有动能，质量与动能均随速度增大而增大。

根据

，得

，因为

，所以

，由

易得

。将该式对和进行微分，得

，代入得

，对其积分，

。

这就是相对论下的动能公式。当速度为0，

，动能为0。

为物体静止时的能量，而总能量=静止能量+动能，因此总能量

。

这意味着核反应过程所衰减的质量将转变为巨大的能量。核能也由此成为人类开发的对象。

4.2 链式反应

1939年，奥托·哈恩提出分裂核理论，发现链式反应。

中子轰击——吸收中子——裂变反应——产生中子

维持链式反应的条件——利用中子>=1。

图九链式反应示意图

结论

目前核电正在向第三代过度，更高的设计要求和技术要求保障了第三代核电站的安全性。未来反应堆系统将更加智能化、自主化，拥有更强的非能动安全系统，燃料利用效率也将进一步提高。我们在使用核能的时候将更加放心。