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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
。
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。
以天然铀作为燃料使得重水反应堆对很多国家产生了吸引力。
CANDU堆是重水反应堆中的突出代表,这种反应堆用的核燃料是用二氧化铀压制、烧结成的圆柱形天然铀芯块,密封成燃料元件单棒,再将37根燃料元件单棒焊到两个端部支撑板上,组成柱形燃料棒束组件,元件单棒之间用定位隔块使之相互隔开。
反应堆换料采用不停堆双向推进法。
遥控操作换料机上的活塞杆,将燃料束逆冷却剂向流动方向推进,同时把乏燃料棒束从另一端卸人另一台换料机。
乏燃料运送到反应堆厂房邻近的水池内贮存。
标准化的CANDU堆本体包括:
一个装重水惯化剂的圆柱形不锈钢排管容器;反应堆控制机构;380根燃料管道组件(CANDU-6型)燃料管道组件贯穿排管容器,内装核燃料、重水冷却剂和一根锆-铌合金压力管。
3.3反应堆核心组件
3.3.1慢化剂
核燃料裂变反应释放的中子为快中子,而在热中子或中能中子反应堆中要应用慢化中子维持链式反应,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。
应用最多的固体慢化剂是石墨,其优点是具有良好的慢化性能和机械加工性能,小的中子俘获截面和价廉。
3.3.2控制棒
为了控制链式反应的速率在一个预定的水平上,需用吸收中子的材料做成吸收棒,称之为控制棒和安全棒(如图3),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。
图3控制棒
3.2.3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。
轻水在价格、处理、抗氧化和活化方面都有优点,但是它的热特性不好。
重水是好的冷却剂和慢化剂,但价格昂贵。
3.2.4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。
钢的强度最好,但价格较高;铅的优点是密度高,因此铅屏蔽厚度较小;混凝土比金属便宜,但密度较小,因而屏蔽层厚度比其他的都大。
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。
4核电的利与弊
4.1核电的优点
(1)核能是地球上储量最丰富的能源,又是高度浓集的能源。
1t金属铀裂变所产生的能量,相当于270万t标准煤。
地球上已探明的核裂变燃料,即铀矿和钍矿资源,按其所含能量计算,相当于有机燃料的20倍,只要及时开发利用,便有能力替代和后续有机燃料。
(2)核电是清洁的能源,有利于保护环境。
燃烧化石燃料排出大量的二氧化硫、二氧化碳、氧化亚氮等气体,不仅直接危害人体健康和农作物生长,还导致酸雨和大气层的“温室效应”,破坏生态平衡。
(3)核电站坚持安全第一、质量第一的方针,正确设计、高质量建造和按规范运行的核电站,其安全是有保证的。
(4)核电的经济性能与火电竞争。
核电厂由于考究安全和质量,建造费高于火电厂,但燃料费低于火电厂,火电厂的燃料费约占发电成本的40%~60%,而核电厂的燃料费则只占20%左右。
(5)发展核电有利于减轻交通系统对燃料运输的负担。
1座100万kW的燃煤火电机组每天需烧煤约1万t,1年约需300万t,而1座100kW的核电机组每年仅需核燃料30t。
(6)以核燃料代替煤和石油,有利于资源的合理利用。
煤和石油都是化学工业和纺织工业的宝贵原料,能用它们创造出多种产品。
它们在地球上的储藏量是很有限的;作为原料,它们要比仅作为燃料的价值高得多。
4.2核电的缺点
(1)核废料处理需严谨。
使用过的核燃料,虽然所占体积不大,但因具有放射性,因此必须慎重处理。
一旦处理不当,就很可能对环境生命产生致命的影响。
核废料的放射性不能用一般的物理、化学和生物方法消除,只能靠放射性核素自身的衰变而减少。
核废料放出的射线通过物质时,发生电离和激发作用,对生物体会引起辐射损伤。
(2)热污染。
核能发电热效率较低,因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境里,故核能电厂的热污染较严重。
(3)核能发电被认为存在风险。
核裂变必须由人通过一定装置进行控制。
一旦失去控制,裂变能不仅不能用于发电,还会酿成灾害。
全球已经发生了数起核泄露事故,对生态及民众造成了巨大伤害。
(4)建立原子能的发电站较易引发政治的争端。
5我国核电发展情况
我国早在1956年制定的国家原子能发展规划12年大纲中就明确指出:
“用原子能发电是动力发展的新纪元,是有远大前途的”,“在有条件下应用原子能发电,组成综合动力系统”。
我国是世界上少数几个拥有比较完整核工业体系的国家之一。
为推进核能的和平利用,上世纪七十年代国务院做出了发展核电的决定。
经过三十多年的努力,我国核电从无到有,经历了上世纪80年代中期到90年代中期的起步阶段;上世纪90年代中期到2004年的小批量发展阶段;从2005年开始,我国核电进入了快速发展阶段,在《核电中长期发展规划(2005~2020)》的指导下,我国核电发展取得了显著成绩。
目前已基本具备30、60、100万千瓦级压水堆核电站自主设计、建造、运行、管理能力,设备国产化率已达到70%以上,基本建立了一支核电技术队伍;建立了勘探、采冶、转化、浓缩、元件加工等较完整的核燃料加工体系,核安全法规管理体系已初步建立。
表3和表4显示了我国正在运行的和在建的核电项目。
6总结
福岛核事故让核电又一次走到了十字路口,正如切尔诺贝利事故之后的情况。
几个发展中国家已经放弃了核选项。
日本已经决定放弃它的核电站延期计划,并且正在考虑完全淘汰核电站,而德国已经启动了一个淘汰项目——这两个国家正在转而支持可再生能源。
意大利也已经放弃了它的核计划,瑞士也是如此。
甚至在传统上支持核电的法国也说它将会考虑到2050年全面淘汰核电。
在更长的时期里,新的核技术可能出现,它可能更安全而且更具成本效益,或许产生的废料更少,使用燃料更有效率。
按照目前的情况,替代方案是迅速部署可再生能源技术,其中一些技术已经得到了广泛使用。
我国在为能源的未来考虑核选项的时候需要权衡目前的利弊。
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