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国内外对核电站研究现状
1.1.核能相对于其他能源的优势〔阐述开展核能的重要性和必然性〕
1.2.当前国内外核电开展研究现状
1.3.世界各国国核电开展趋势
1.4.业设计的意义和目的正文:
第1章国内外对核电站研究现状
1.1.核能相对于其他能源的优势
伴随着科技和经济的开展,人类对于生活质量的追求越来越高,在各个领域的发展都十分迅速,然而在我们人类不断进步的同时,我们对于能源的需求也在不断提升,直到21世纪的今天,能源危机已经普及全球各个国家,以及燃烧煤、石油、天然气等到时的温室效应、臭氧层空洞等,是的我们唯一的赖以生存的家园变得岌岌可危,因
此寻求新的清洁的能源成为整个人类缓解能源危机及环境问题的首要任务,而核能便
成为各国的重点关注对象.
我国的可再生能源有着得天独厚的优势,是重要的战略替代能源,对增加能源供应,改善能源结构,保证能源平安,保护环境具有重要的作用.积极开发和利用核能、太阳能、风能、电能、生物质能、地热能以及海洋能等可再生能源,是实现我国经济社会可持续开展能源战略的必然选择.但我国同时也是一个能源生产大国和消费大国,拥有丰富的化石能源资源.200弹,煤炭保有资源量为10345亿吨,探明剩余可采储量约占全世界的13%列世界第三位.但是中国的人均能源资源拥有量较低,煤炭和水力资源人均拥有量仅相当于世界平均水平的50%石油、天然气人均资源拥有
量仅为世界平均水平的1/15左右.能源资源赋存不均衡,开发难度较大,已探明石油、天然气等优质能源储量严重缺乏.再加上能源利用技术落后,利用低下,在经济高速增长的条件下,我国能源的消耗速度比其他国家更快,能源枯竭的威胁可能来得更早、更严重.因而,日益增长的对外能源需求造成的能源压力迫使我们不得不寻找解决能源危机的突围之路.
迄今为止,世界能源需求的85炼自燃烧煤、石油、天然气等化石燃料.大量燃烧化石燃料所产生的二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物、一氧化碳和颗粒物等,是的地球环境再次遭到严重破坏,威胁到人类的健康.而且,煤、石油、天然气等化石燃料属于不可再生的资源,随着其消耗的迅速增长,使它们在地球上的储量面临枯竭的境地.为了缓解能源危机,我们便需要寻找新的清洁的能源,在自然界中,除了化石燃料外,核能、水力、风力、太阳能、地热、潮汐能等也都是可资利用的能源.水力是无污染的能源,应充分开发使用,但水力资源终究有限,且受地理条件限制.水力发电随季节变化很大,所以光靠水力替代不了化石燃料,满足不了日益增长的能源需求;风力、太阳能、地热、潮汐能等,都因受多种条件的限制,只能在一定条件下有限开发,很难大量使用;较乐观地估计,到21世纪,上述几种能源中每种在能源总耗量中的比例,都很难超过1%
然而到目前为止,在技术上已较成熟,而且能大规模开发使用以提供稳定电力的惟有核能.由于核能有其无法取代的优点,主要表现于:
(1)核能是地球上储量最丰富的能源,又是高能量密集型的能源.
(2)核电是清洁、低碳的能源,有利于保护环境.如果取代燃煤发电设备,1GW
核电设备运行1年能预防排放560万吨CQ能有效的遏制和缓解温室效应,保护环境.
(3)核电的经济性优于火电.
(4)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.
〔5〕以核燃料代替煤、石油和天然气,有利于资源的合理利用.
1.2.当前国内外核电开展研究现状
1.2.1国内外核电开展概况
美国于1945年8月在日本投下了两颗原子弹,核能首先被用作大规模杀伤性武器.二战结束后,科学家们开始研究如何限制和利用原子核裂变产生的巨大能量为人类造福.核电站的开发与建设开始于20世纪50年代.1954#苏联建成世界上第一座电功率5000KW欲验性核电厂,1957年美国建成电功率9万KWe勺希平港原型核电站以来,世界核电已取得了长足开展.据统计,200奔全世界正在运彳f的核电机组有441
个〔其中轻水堆核电机组约占80%重水堆核电机组约占8%轻水堆核电机组中压水堆机组占了76%沸水堆机组约占34%〕,分布在31个国家或地区,年发电量占世界总发电量的16%
目前,世界核电主要分布在北美〔美国、加拿大〕、欧洲〔法国、英国、俄罗斯、德国〕和东亚〔日本、韩国〕,这8个国家的核电机组数量占全世界总和的74%其装机容量那么占79.5%.核电装机容量排名前三位的美国、法国和日本的核电机组之和占全世界的49.4%,装机容量占56.9%
1.2.2美国核电开展现状
美国第一座核电厂建成于197弭12月.近50年来美国总共建成商业核电机组132台,除去已经关闭的28台目前仍在运行的有103台,居世界之最.它们分布在美国的
31个州2006年美国核能发电量约为7804亿千瓦小时,占全国总发电量的19.3%
图1美国核电机组分布
美国核电开展的特点:
开发阶段起步早,堆型多,建设阶段大起大落.由于美国资金雄厚,早期采用多种堆型进行试验,经大量试验后,较早地确定了轻水堆.1975
年美国核电开展到达顶峰,此前开展过猛,此后紧急刹车.美国现有的核电机组全是早期建成的.三十多年来,美国没有新建一台核电机组.三里岛事故是促使美国核电开展急刹车的主要原因.这次事故虽然没有造成环境污染,但给电力公司造成巨大经济损失.三里岛事故后,美国已经订货的核电机组停止制造,正在建造的下马,刚刚建成的机组不让运行.三里岛事故后,美国核平安标准变得过于苛刻,审批手续复杂,时间拖得很长,造成建设周期延长,本钱增加得让电力公司难以承受.另外,燃料和高放废物最终处置问题也是困扰美国核电开展的大难题.美国政府经过二十年的努力
才落实最终处置场,定点在内华达州尤卡山.
经过三十多年的停顿后,目前美国核能事业正在复苏.在核燃料循环方面,美国
过去一直是采用开式循环,燃料暂存不经过处理直接送到最终处置库.为了减少环境污染,降低最终废物处置量,目前美国正在改变核燃料循环技术路线,积极开发先进的后处理技术.
1.2.3法国核电开展现状
法国由于能源短缺,在世界第一次石油危机之后,决心开展核电,目前正在运行的核电机组有59个,核电总装机容量6613万千瓦,2006年总核电量为4309乙千瓦小时,占总电量的78.5%,核电比例位居世界第一.
法国核电开展的特点是:
一直稳步开展,面对世界上出现的两次大的核事故,法国开展核电的决心、政策和方案从不动摇.技术路线方面,法国核电堆型统一、标准化、系统化、程度化,由此带来的好处是平安审批程序较简单,审批时间短,建造周期较短,核电本钱较低.
法国核电站在厂址选择和布局方面,除沿海布置外,内陆滨河厂址也较多.采用闭式燃料循环,后处理技术先进,并重视开展快中子增殖堆,力图充分利用核燃料.
图2法国核电机组分布
1.2.4日本核电开展现状
日本能源严重匮乏,一直坚持积极开展核电的政策.目前日本运行的核电机组有
55台,200奔核电总装机容量为4858万千瓦,核能发电量为2807亿千瓦小时,占全国
总发电量的29.3%同法国一样,世界上两次大的核事故并未动摇日本开展核电的根本
方针,日本核电一直稳步增长.在核电堆型选择方面,日本的压水堆和沸水堆核电机
组并行开展,两者数量相近.
日本是个多地震国家,核电厂址平安停堆地震〔SSE^SL-2〕的地震动水平峰值
加速度都比拟高〔见图〕
DESIGNEARTHQUAKEACCELERATIONLEVELS
图3日本核电机组分布
日本柏崎核电厂是目前世界上装机总容量最大的核电厂〔总装机容量8841兆瓦〕,
其中的两台ABW机组是目前世界上最先进上午轻水堆核电机组〔见图〕.
1.2.5我国核电开展现状
我国的核能事业开始于195弭,但核能发电起步较晚,上世纪七十年代开始设计工作,1985年开始建设我国大陆第一座核电厂〔即秦山核电厂〕,1994年投入运行.
其后,除1996年开工建设的秦山2期核电厂是自主设计外;先后从法国引入大亚湾2X984MW否口蛉澳一期车5水核电站,从加拿大引入秦山3期2X750MW重水核电站,从俄罗斯引进田湾2X1060MW核电站.我国大陆已投入商业运行的11台核电机组,具总装机容量约为900万千瓦.2007年核发电量近600乙千瓦小时,大约占全国总发电量的1.8%c
我国大陆现有三个核电基地,即浙江秦山核电基地,,已建成5个核电机组,在建
4个机组;广东大亚湾核电基地,已建成4个核电机组,在建2台机组;江苏田湾核电
基地,2台核电机组已投入运行;在其它地区正在建设的核电厂有:
辽宁红沿河4台机
组;福建宁德2台机组,福清2台机组;
图4我国大陆局部核电厂分布图
机爆韦称
单机容■()
开始卷造时间
商业运行时闸
秦山一期
300
1卵5-Q3-02
【炳04
察山二期
2065(1
1996-06-02
^002-05-03
睾山三期
现侬
1川归IHHH
大亚海
20981
1^87-08^07
lay1a-a
的澳一期
LW7-O5
20U:
i01UH
田湾一期
⑼网
1颊1.
^0D7-11
秦山二期扩建
2徜5.
在建
岭澳二期
2翼用1
在优
辽宁红沿河
40984
在建
福建『小
20984
在建
浙江4家山
209a4
在建
福建福清
209S4
表1中国大陆已投入运行和在建的核电厂
1.2.6我国核电开展前景
我国目前核电规模不大,核发电量占全国中发电量比例甚小,与世界核电平均水平相差甚远.其主要原因是过去我国核电在国家能源战略中的作用和地位无足轻重.为了满足我国电力增长需求,保证能源供给平安、调整能源结构、减少环境污染、保证社会和国民经济持续开展,我国近来调整可核电政策,由过去的“适度开展核电〞转变为“积极开展核电〞.2006年3月国务院通过了我国?
中长期核电开展规划?
(2005-2021年).按此规划,至U202弭,我国大陆核电运行机组总装机容量将到达4000万千瓦并在建核电机组1800万千瓦.这相当于要求在今后14〜15年内,平均每年要建成两个百万千瓦级核电机组.
目前应该说是中国核能开展的第三阶段,国家已将核电作为能源战略的重要组成局部.其方针是“积极推进核电建设〞.到2021年核电在国家电力的比例将为4%〜5%,中国将建至少30座100万千瓦级的核电站.根据国家中长期能源开展形势和前景分析,在?
205弭我国的能源需求?
的研究报告中指出,核电占一次能源的比重应提升到12.5%,总装机容量到达240GW/核燃料循环各环节生产水平到2021年也要在现有根底上提升4〜6倍.
1.2.7当前世界核电开展开展趋势
由于化石燃料的供给和价格经常受到国际政治外交和军事冲突的影响,温室气体
排放造成的环境问题压力日益加剧,加上两次大事故后世界核电的运行业绩和技术进步,使得世界上许多国家又把开展清洁能源的注意力又重新转向核能.在经历了上世
纪八、九十年代的低潮后,世界核电正在走向复苏,今后许多国家将大规模建造先进的核电机组,并继续开发先进核能系统.总的开展路线图是:
现有核电机组延长使用寿命一新建第三代轻水堆机组一开发第四代核能系统一开发核能制氢
按广泛被接受的观点,已有的核能系统分为3代:
1、20世纪50年代末至60年代初世界上建造的第一批原型核电站,例如Shippingport(1957〜1982)、Dresden-1(1960〜1978)和英国的CalderHall-1
(1956〜2003).其中,只有两作为商业用途的第1代(GenI)电站现在仍在运行:
Oldbury核电站,其业主为BritishNuclearGroup;还有位于威尔士的Wylfa核电站.
2、20世纪60年代至70年代世界上大批建造的单机容量在600—1400MW标准型核电站,它们是目前世界上正在运行的核电站的主体.这些反响堆被称为轻水反响堆
(LWR,使用的是传统的“能动式〞平安举措,包括可按指令提供的电动或机械式操作.但一些当时设计的系统,仍然在被动模式下(例如使用压力释放阀)执行操作,而且在实施功能时没有操作者的限制,或要依赖辅助动力.目前我国正在商业运行的
核电站都是采用的二代核电技术,在建的核电站大局部采用法国开发的二代压水堆,在引进吸收法国技术的同时也在不断的对其平安性进行改良以形成具有自主设计能力的二代改良堆型CP1000并将应用在福清5、6号机组中.
3、20世纪80年代开始开展、本世纪初开始投入市场的改良型轻水堆(ALWR
核电站.二、第三代核电技术第三代核电技术,主要指符合美国“电站业主要求文件
(URD〞或“欧洲用户要求文件(EUR〞的先进核电反响堆技术,采用或局部采用非能动的预防和缓解严重事故的举措,以美国的AP1000为例,它采用了以下几种举措:
(1)设置熔融堆芯滞留设施(IVR);
(2)在一回路设置非能动平安注射系统和多级的非能动自动泄压系统(ADS,当事故平安注射时即泄压,以预防高压熔堆;设置非能动的平安壳冷却系统(PCCS;
设置非能动的堆芯余热排出系统〔PDHRS;在平安壳内设置氢点火器和氢复合器来防止氢气燃爆.
目前广泛用于商业运行的第三代核电站,尚未形成气候.我国在建的三代核电站
采用的技术包括法国开发的EPR堆型和美国开发的AP1000堆型,其中AP1000堆型在世界上其他国家都没有建设运行的先例.2021年2月15日,国务院第209次常务会议正式批准“大型先进压水堆重大专项总体实施方案〞.通过实施重大专项,在引
进、消化和吸收世界最先进的第三代核电技术〔AP100O根底上再创新,设计并建成具有我国自主知识产权的大型先进压水堆核电站示范工程,并在此根底上增强根底研
发,提升型号开发的综合实力,逐步走向世界核电前沿,这是我国核电可持续开展的需要,也是我国建设创新型国家的需要.我国第三代核电自主化依托工程的首座核电站浙江三门核电站一期工程核岛工程承包合同2021年2月28日在北京钓鱼台签字.通过三门和海阳两个依托工程消化吸收的实施,要到达全面掌握以非能动技术为标志的第三代核电技术的目的,加快我国核电技术水平与平安要求的提升.目前,这两个依托工程进展顺利,后续自主化的AP1000工程已完成初步设计,并将逐步成为
CAP1000同时,拥有自主知识产权的CAP1400的技术研发工作,也正在有条不紊地进行,并初步定于2021年在山东石岛湾开始示范工程的建设.在未来相当长一段时间内,AP1000CAP1000CAP1400及其后续的CAP1700作为大型先进压水堆,将是我国的主要机型.
4、第四代核电技术
前三代核电技术都脱胎于上世纪40年代末为海军开发的设计方案,自三哩岛事故之后,全球核电建设进入低潮,但兴旺国家一直没有放松先进核能系统的研发.20
世纪90年代以来,各国陆续提出了许多新的反响堆设计概念和燃料循环方案,在改
善经济性、平安性和可持续性的同时显著拓宽了核能的应用领域.为国际合作开发新
一代核能系统,美国能源部建议于2000年1月成立了第4代核能国际论坛
(GenerationIVInternationalForum-GIF),共同研究、开发和验证四代核能技术.
目前共有10个国家包括美国、法国、日本、英国、加拿大、阿根廷、南非、巴西、韩国、瑞士以及欧洲原子能共同体参加了该论坛.第4代核能系统,包括反响堆及其燃料循环应满足如下要求:
(1)可持续性.能提供清洁、可持续的核能,能为世界长期使用和对核燃料实现有效利用;应能处理好核废物,并使核废物量最小化,特别是减少核废物长期治理的负担,从而改良对公众和环境的保护.
(2)经济性.低本钱、短周期建设,可在不同的电力市场竞争,投资风险应与其它能源工程类似;全寿期发电本钱较其它能源具有优势,通过对电站和燃料循环的简化和创新设计到达本钱目标;除发电外,还应能满足制氢等多种用途.
(3)平安性和可靠性.“第4代〞应有更优良的平安性和可靠性,有非常低的堆芯损坏程度,应消除厂外应急的需要.预防核扩散和增强实体保护.为预防核材料扩散提供更高的保证,通过内在的障碍和外部监督提供持续的防扩散举措;通过增强设
计的巩固性防范恐怖主义袭击.
5、第五代核电技术行波式核反响堆
对反响堆的核燃料进行浓缩及定期翻开反响堆补充核燃料,是核电站运行中最繁琐和昂贵的步骤.用过后的核燃料从反响堆中取出后,必须对之进行再处理以回收可用材料.而且核电站还存在核扩散和环境污染风险.为解决上述问题,美国华盛顿一
家名叫“智力投资〞的创造投资公司提出了一种经济可行的,只需少量浓缩核燃料即可运行的新型反响堆设计方案,他们称之为行波反响堆.行波堆不同于现有商业化的堆,通过对抑制堆芯燃料的分布和运行,核燃料可以从一端负级启动点燃,裂变产生的多余种子将周围不能裂变的铀-238转化成钵-239,当到达一定浓度之后,形成裂变反响,同时开始燃烧在原位生成的燃料,形成行波.常规反响堆也能生产钵-239,
但是必须移去用乏后的核燃料,将之切断并用化学方法提取钵,这是一个肮脏、昂贵的过程,也是制造原子弹的一个主要步骤.行波反响堆生产出钵,并立即加以使用,从而消除了被专用于生产核武器的可能性.一个不到1米的活性区域沿着堆芯运动,就能给前方不断地提供新的钵核燃料.行波以增殖波先行燃烧波后续,一次性装量可以连续运行数十年甚至上百年.为维持运行,堆芯燃料局部保持常规的大小质量,按正常方式通过核能,将热量带出堆芯,产生蒸汽,其余局部为烧尽或待增殖的燃料.
除最初的启动源需要浓缩铀,其他所有燃烧都可以来自天然的材料或清水的发电,因
此不需要别离浓缩.形象的说,行波堆像蜡烛,用火柴点燃后逐渐烧尽,并可以点燃其他蜡烛.在实际工程化过程中,行波堆选择可以使用定期移动燃料,增殖燃烧波的空间固定处理.行波堆工业体系无需大规模进行燃料,并可逐步减少铀浓缩的产品,极大减少了复杂、昂贵的燃料体系.通过使用行波堆,可以极大的简化减少其中许多步骤,可以逐步的降低负极的产能以及复杂昂贵的燃料体系.所以行波堆的路线不仅
可以提前进入核能大规模可持续开展,同时还极大降低了核扩散的风险.像铀的浓缩和燃料的后续,是核扩散风险最大的环节.因此,和其他核的体系相比,行波堆更有可能获得大
多数国家包括美国的支持,在世界范围广泛开展真正表达核能作为煤、油、气等
化石燃料,具有清洁、无碳排放的燃料.行波堆的技术可以概括为核燃料一次性增殖
燃烧,是一个理想状态的先进的东西,是有可持续、防核扩散、平安性和高经济性,行波堆可将铀资源利用提升近百倍,废物量减少数十倍,把一个百年的资源提升为数千年的技术.这项技术仍有一些根本的设计问题需要加以解决,如反响堆如何在事故
条件下运行的精确模型等.
1.3毕业设计的意义和目的
在核电厂严重事故中,堆芯熔化后和冷却水相互作用,可能引发蒸汽爆炸现象,蒸汽爆炸过程伴随巨大的能量和压力波的产生,可能造成平安壳结构失效,导致放射性裂变产物释放到环境中.而压水堆核电站全厂断电可能开展成为堆芯熔化的严重事故,并
最终导致平安壳超压失效的严重事故.因此,认真研究严重事故过程以及事故的放射性后果,并对其负面效应进行评价分析,对于预防严重事故发生、缓解严重事故后果和提升核电厂的平安性,从而到达保护和预防核电事故的目的是十分必要的.此外,
由于目前国内尚缺乏熔融物热工水力相关程序的开发,因此对于熔融物热工水力数值模拟程序的开发也十分必要.本论文基于压水堆核电站全厂断电事故情况下,主要采用MELCOR序建立一详细的严重核电厂全厂断电事故分析模型,分别计算发生全厂断
电事故时一回路系统热工水力响应、堆芯部件行为、平安壳内的热工水力等现象,并对计算结果进行分析,以提出对核电厂全厂断电严重事故的提前预防及事故发生后的缓解和保护举措.
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