第八章 核能

新能源概论第八章核能概述原子核物理基础核反应堆及核燃料核能利用技术§8-1§8-2§8-3§8-4核废物处理与核安全核能利用发展现状和趋势§8-5§8-6新能源概论§8-1概述核能的应用历史1海洋的核资源2月球的核应用3新能源概论核能：通过质量转化而从原子核中释放的能量二次世界大战原子弹放射性物质的标志新能源概论1.核能的应用历史1895：伦琴（德）——X射线（1901第一届诺贝尔物理奖）1896：贝克勒尔（法）——天然放射性现象（1903年诺贝尔物理奖）1898：玛丽·居里（法）——镭（1903年诺贝尔物理奖，1911年诺贝尔化学奖）1897：汤姆逊（英）——电子新能源概论1.核能的应用历史1914：卢瑟福（英）——发现质子卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，得到氧原子核和氢原子核，首次实现人工核反应。新能源概论1.核能的应用历史1932：查德威克（英）——发现中子1938：哈恩（德）用中子轰击铀原子核，出现的新元素与铀相距甚远。这是首次发现重原子核裂变现象新能源概论1.核能的应用历史1942年12月2日美国加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆1945年8月6日和9日美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎1945年之前，人类在核能利用领域只涉及物理变化和化学变化，1945年之后，人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。新能源概论2.海洋的核资源类型含量可用时间铀相当陆地储量的几千倍几万年氘含有几亿千克氘上百亿年锂储量约为2.5×1011吨重水含有2×1014吨新能源概论3.月球的核应用月球有大量的氦3大约5亿吨使用上千年新能源概论§8-2原子核物理基础原子核物理基础理论1核裂变2核聚变3核衰变4新能源概论1.原子核物理基础理论基本定义：1.原子是由位于中心的原子核和围绕原子核运动的若干电子组成，原子核由质子和中子组成，统称为核子，电子质量只有核子1/1840，原子质量几乎全部集中在原子核上。新能源概论§8-2-2原子核物理基础理论2.原子核内质子和中子总数，称为核子数，或质量数，用A表示。3.原子核的质子数或核外电子数决定了元素化学性质，称为元素原子序数，用Z表示。4.原子序数相同而质量数(核子数)A不同元素，称为同位素。新能源概论§8-2-2原子核物理基础理论5.能量计算：原子核的结合能是由质量转化为能量的。实际测得：原子质量≠质子质量+中子质量+电子质量质量亏损结合能新能源概论§8-2-2原子核物理基础理论6.原子核的平均结合能是指原子核的结合能除以组成原子核的核子数A平均结合能/MeV质量数1020501001502002501.03.02.04.06.05.08.07.02H2H3He4He6Li7Li9Be10B11B12C16O20Ne24Mg56Fe107Ag209Bi238U大部分原子核平均结合能在7～8.5MeV之间轻核和重核均具有较小的平均结合能（轻核与重核的划分界限是铁，大于56为重核，小于56为轻核）新能源概论§8-2-2原子核物理基础理论核能释放方式三种方式核裂变核聚变核衰变新能源概论2.核裂变核裂变（nuclearfission）是重核分裂为中等核的过程。第一代核武器和现代核电站都依赖于裂变过程而产生能量。中子U-235U-235分裂分裂碎片分裂碎片中子中子中子γ射线千万分之一秒內U-235分裂U-235分裂新能源概论2.核裂变铀裂变的方程式：n38UNdZrne反微中子nXeSrnU10nKrBanU3发生裂变时，裂变反应的直接(瞬发)产物，如反应：氙和锶称为裂变碎片，它们和它们的衰变产物称为裂变产物nSrXenU1094381405410235922新能源概论2.核裂变裂变时会形成60余种不同的碎片，而这些碎片通过β衰变产生约250种不同的核素的裂片产物。U235926080100120140160质量数A质量数A裂片碎片的百分比10110-110-310-2裂变碎片的质量分布图1.曲线呈现两个明显的峰，分别位于质量数为95和140附近2.分裂成质量数恰好相等的两半的概率很小，大约只占0.01%注意：裂片碎片会发生一系列的衰变，具有很强的放射性，主要是β射线和γ射线，其中有些核素半衰期较长，给核燃料后处理带来困难新能源概论3.核聚变核聚变(nuclearfusion)由两个或多个轻核聚合形成较重核的过程。热核武器就是以聚变反应为基础的核武器。氘氚中子14.1MeV氦-43.5MeV新能源概论3.核聚变2231611203.210HHHneV223161121410HHHHeV3241711201.7610HHHneVeVHHeHeH711423221108.1新能源概论3.核聚变“第一代”聚变：氘氚聚变，燃料便宜，产生中子。“第二代”聚变:氘和氦3反应。不产生中子，或者产生非常少量的中子。“第三代”聚变:让氦3跟氦3反应。完全不产生中子，称为终极聚变。新能源概论3.核聚变劳逊条件：等离子体密度和约束时间的乘积必须大于某一值，热核反应才能持续进行。反应堆类型最低温度/K等离子体密度/(个·cm-3)最少约束时间/s劳逊条件/(s·个·cm-3)氘-氚反应1081014~10160.01~11014氘-氘反应5×1080.2×1014~0.2×10165~5001016表8-2可控核聚变反应堆需要满足的基本条件新能源概论可控核聚变方式超声波核聚变激光约束核聚变磁约束核聚变3.核聚变新能源概论4.核衰变α射线β射线γ射线新能源概论类型实质特点α射线带正电荷的氦核①电离作用最强②穿透本领很小β射线带负电荷的高速电子流①电离作用弱②穿透本领强γ射线波长短，频率高的电磁波①电离作用最弱②穿透本领最强4.核衰变新能源概论§8-3核反应堆及核燃料核反应堆1核燃料2新能源概论1.核反应堆核反应堆：装配了铀或钚等核燃料，使得在无需补加中子源的条件下，实现大规模可控制的自持式核裂变链式反应并释放能量的装置。新能源概论1.核反应堆1.核反应堆的类型用途燃料类型冷却剂慢化剂热工状态研究堆，生产堆，目的堆，发电堆，推进堆天然气铀堆、浓缩铀堆、钍堆水冷堆、气冷堆、有机液冷堆、液态金属冷堆石墨堆、重水堆、压水堆、沸水堆、有机堆、熔盐堆、铍堆沸腾堆、非沸腾堆、压水堆新能源概论1.核反应堆2.核反应堆的工作原理新能源概论1.核反应堆核反应堆结构核燃料防护装置控制设施慢化剂热载体新能源概论1.核反应堆3.核反应堆的核心组件①慢化剂。用石墨、重水或普通水（用于减小中子的速度）。②控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）③冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）④屏蔽层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。新能源概论水管铀棒控制棒石墨水泥防护层减速剂核原料冷却剂热交换控制反应速度防辐射快中子→慢中子吸收慢中子新能源概论1.核反应堆4.核反应堆分代标志第一代GEN-I第二代GEN-Ⅱ技术成熟的商业堆，目前在运的核电站绝大部分属于第二代核电站第三代GEN-Ⅲ第四代GEN-Ⅳ核电站是早期的原型堆电站先进的轻水堆核电站，第三代核电站采用标准化、最佳化设计和安全性更高的非能动安全系统。待开发的核电站新能源概论1.核反应堆发电供热AB裂变中子D核动力C5.核反应堆的用途新能源概论1.核反应堆（1）核能供热：一项新技术，是一种经济、安全、清洁的热源，因而在世界上受到广泛重视。新能源概论1.核反应堆（2）核动力：核能又是一种具有独特优越性的动力。因为它不需要空气助燃，可作为地下、水中和太空缺乏空气环境下的特殊动力；又由于它少耗料、高能量，是一种一次装料后可以长时间供能的特殊动力。新能源概论1.核反应堆（3）利用裂变中子：核反应堆的第二大用途就是利用链式裂变反应中放出的大量中子。12中子轰击薄膜材料可以生成极微小的孔洞3中子还可以生产优质半导体材料大量生产各种放射性同位素4中子可以治疗癌症新能源概论2.核燃料核燃料，是指可在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料。铀235，钚239是能发生核裂变的核燃料，称裂变核燃料氘、氚及氦-3称为聚变核燃料新能源概论2.核燃料乏燃料裂变核燃料聚变核燃料核燃料新能源概论燃料形式形态材料适用堆型固体燃料金属U石墨慢化堆合金U-Al快堆U-Mo快堆U-ZrH脉冲堆陶瓷U3Si重水堆(U,Pu)O2快堆(U,Pu)C快堆(U,Pu)N快堆UO2轻水堆、重水堆弥散体金属-金属UAl4-Al重水堆陶瓷-金属UO2-Al重水堆陶瓷-陶瓷(U,Th)O2-(热解石墨，SiC)-石墨高温气冷堆液体燃料水溶液(UO2)SO4-H2O沸水堆悬浊液U3O8-H2O水均匀堆液态金属U-Bi​熔盐UF4-LiF-BeF2-ZrF4熔盐堆新能源概论2.核燃料乏燃料及聚变核燃料乏燃料定义：裂变产物、铀、钚以及稀有锕系核素的混合物聚变核燃料：聚变核燃料包括氘、氚及氦-3注意：虽然核聚变的能量密度甚至比核裂变的还高，且人们已经制造出可以维持数分钟的核聚变反应堆，但将聚变核燃料用作为能源仍只在理论上可行新能源概论2.核燃料与包壳材料相容，与冷却剂无强烈的化学作用具有较高的熔点和热导率辐照稳定性好制造容易，再处理简单新能源概论2.核燃料回收和重新利用核燃料核燃料的后处理确保环境的安全新能源概论2.核燃料回收和重新利用核燃料的方法：水法过程干法过程以磷酸三丁酯为萃取剂的萃取法过程————普雷克斯流程注意：核燃料后处理过程必须将设备置于有厚的重混凝土防护墙的设备室中，进行远距离操作，并且需要采取防止核临界的措施。新能源概论§8-4核能利用技术核能发电1核武器及核动力2核技术的广泛应用3核能的发展前景4新能源概论核电站是利用核分裂或核融合反应所释放的的能量产生电能的发电厂1.核能发电核岛NI常规岛CI新能源概论核能电厂与火力电厂异同出水蒸汽发电机冷却冷凝器进水锅炉核反应器核反应器1.核能发电新能源概论1.核能发电一不会污染空气五发电成本稳定四能量密度高，体积小，便于运输和储存二不会排放二氧化碳核电的优点三铀燃料除发电外，无其他用途新能源概论1.核能发电新能源概论美国第一座核电厂建成于1975年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104台，居世界之最。它们分布在美国的31个州（见图4）美国1.核能发电新能源概论日本•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发展，两者数量相近。1.核能发电目前日本运行的核电机组有55台新能源概论英国英国曾是世界上核电发展领先的国家，但自上世纪70年代起，北海油田大规模产油使其能源供应状况得到改善，加上对核电安全问题的顾虑，英国的核电发展步入冬天。•2008年，英国政府发布《核能白皮书》，宣布重启核电发展。1.核能发电新能源概论1.核能发电新能源概论秦山一期（浙江）30万千瓦机组，是我国自主设计、建造和运营的第一个原型堆核电机组。1.核能发电新能源概论1.核能发电秦山二期（浙江）我国首座自主建设、自主建造、自主管理、自主运营的2×650MW级商用压水堆核电厂。新能源概论1.核能发电秦山三期（浙江）引进加拿大重水堆技术建造的2×728MW级重水堆核电厂新能源概论1.核能发电大亚湾核电厂（广东）①我国首座2×900MW级商用压水堆核电厂。核岛部分采用法国压水堆技术。②大亚湾核电厂年发电量约150亿千瓦时，70％供香港，30％送广东电网。新能源概论1.核能发电红沿河核电站（辽宁）①中国首次一次同意4台百万千瓦级核电机组标准化、规模化建设的核电项目，是东北地区第一个核电站。②采用的是在法国技术上改进的压水堆，是目前中国内地应用的最先进的核电技术。新能源概论世界核电机组概况新能源概论2.核武器及核动力核武器是指利用能自持进行核裂变或聚变反应释放的能量，产生爆炸作用，并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称裂变武器（原子弹）聚变武器（氢弹）具有特定功能的核武器（中子弹和小型化核武器）新能源概论2.核武器及核动力《不扩散核武器条约》1