核專業(yè)知識講座-核能利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、核專業(yè)知識講座-核利用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，2、核(或核)是通過轉(zhuǎn)換核質(zhì)量從核中釋放的能量。核能原理，太陽，原子彈，原子能的基本知識，3，愛因斯坦能量定理和釋放原子能的兩種方法：核聚變(fusion)核裂變(fission)，原子能的來源，“物體的質(zhì)量是對其中能量的一種測量，能量變化時其質(zhì)量是Einstein，a. (1905)， istditrgheiteineskrpersvonseinemenergieinhaltabhngig？“，AnnalenderPhysik18:639-643(物體的慣性與它所含的能量有關(guān)嗎？)，4，通過核聚變(Nuclearfusion)，質(zhì)量小的原子主要指氘或氚，在特定條件下(如超高溫和高壓)，原子核相互聚合，產(chǎn)生新的質(zhì)量更重的原子核，伴隨巨大能量釋放的核反應(yīng)的一種形式。5，核聚變的兩大優(yōu)點，核聚變可以為人類提供“無限能源”。地球上僅在海水中就有45萬億噸的氘，相當(dāng)于1升海水中的氘通過核聚變?nèi)紵?00升汽油所釋放的能量。埋在地球上的核聚變可以說是可裂變元素所能釋放的總裂變能量的1000萬倍左右的無限能量。氚雖然在自然界中不存在，但可以通過中子和鋰的作用生成，海水中含有很多鋰。核聚變不產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì)。6、核聚變的實現(xiàn)方法，核聚變反應(yīng)需要極高的溫度(攝氏度數(shù)億度)，以克服兩個具有正電的中核之間的巨大排斥力。目前主要可控制的幾種核聚變方法：超聲波核聚變激光約束(慣性約束)核聚變核聚變(托卡馬克)，在實現(xiàn)目前控制的核聚變方面存在很多困難，核聚變大規(guī)模和平利用還需要很長時間。7，全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克，中國下一代熱核融合裝置東部，國際熱核實驗堆ITER500；中國科學(xué)院等離子負(fù)責(zé)這個項目，8，被稱為裂變，核分裂為多個核的變化一種核反應(yīng)形式，通常由重原子(主要指鈾或钚)分裂成更輕的原子。原子核吸收中子，分裂成兩個硬核，同時釋放多個中子和一定的能量。常用的裂變核：U-233、U-235、Pu-239、Pu-241，9、U-235裂變反應(yīng)型，每個U-235核裂變平均釋放2.43個中子。10，核裂變釋放的能量，1 U-235原子核裂變平均釋放的總能量：200MeV1kgU-235完全核裂變釋放的能量：19，600，000，000kcal比較化石燃料完全燃燒釋放的化學(xué)能(4.1ev)，12，維持連鎖反應(yīng)的條件，飛走并吸收，不引發(fā)新的核裂變，產(chǎn)生被核裂變核吸收的新核裂變的中子數(shù)=1，可以持續(xù)裂變反應(yīng)。自持中子數(shù)1，裂變反應(yīng)越來越強。發(fā)散型中子數(shù)1，裂變反應(yīng)越來越弱。收斂性，13，中子的能量，核裂變釋放的中子根據(jù)能量大小劃分：吸收中子的熱中子，鈾-235吸收中子裂變反應(yīng)的概率比吸收快速中子裂變反應(yīng)的概率大得多；使用減速劑將快中子慢到熱中子。14、原子特性、裂變反應(yīng)釋放出巨大的能量。裂變反應(yīng)不需要氧氣。裂變過程伴隨著放射性物質(zhì)的產(chǎn)生。，15，核能應(yīng)用，民用：發(fā)電軍事：適合電力系統(tǒng)，裂變能源利用特性，嚴(yán)格的輻射防護(hù)措施運行管理要求高16，核能發(fā)電原理，17，核能軍事應(yīng)用，核能系統(tǒng)，潛艇核電站，水面艦船核電站，宇宙核電站，宇宙核電站在63臺部署中，安裝容量為6545.4萬千瓦。全世界30個國家擁有核電站。法國把核能作為國家的主要能源。利用原子能的落后發(fā)展國也陸續(xù)提出了建設(shè)自己核電站的計劃。20，國家容量(百萬瓦特)占整個發(fā)展份額阿根廷9357.0%亞美尼亞37645.0%比利時594351.7%巴西1，9013.0%保加利亞1，90635.9%加拿大12，67914.8%中國(大陸)第二階段，原子能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段，技術(shù)趨于成熟。主要技術(shù)包括PWR、沸水堆、重水、石墨空冷反應(yīng)堆、鈉冷卻快堆等。在這個階段，全世界的核能裝機容量持續(xù)增加，但不同地區(qū)的增長率不同，增長主要集中在亞洲新興國家。第三階段是核電發(fā)展的階段。在這個階段，每年核能的新安裝容量達(dá)20億瓦特，其增長將持續(xù)幾十年。第三代反應(yīng)堆是早期尖端輕水反應(yīng)堆時期，主要技術(shù)包括高級沸水反應(yīng)堆、歐洲PWR、System80、AP600等。22、世界原子能發(fā)電趨勢，第三代原子反應(yīng)堆后期，核電站的經(jīng)濟(jì)性將繼續(xù)加強。目前，全球使用的核反應(yīng)堆主要是第二代核反應(yīng)堆核部分第三代早期核反應(yīng)堆的飛行員。今后第四代核反應(yīng)堆前進(jìn)的方向包括更好的經(jīng)濟(jì)性、更高的安全性、更少的廢核、防擴散技術(shù)等。23、我國核能利用現(xiàn)狀，目前中國有13臺商用，正在建設(shè)28臺，預(yù)計到2020年將達(dá)到100多臺。中國已經(jīng)建立了更完善的核安全監(jiān)管體系，包括政府監(jiān)管部門、區(qū)域核安全監(jiān)督局、相關(guān)技術(shù)支持單位等。我國第一個AP1000核電站建設(shè)成了未來標(biāo)準(zhǔn)型第三代新技術(shù)支持事業(yè)。其中浙江3核電站1號和山東海洋原子能1號的建設(shè)工作進(jìn)展順利。24，25，3代原子能系統(tǒng)典型地表示AP1000特性的韋斯特豪斯在已經(jīng)開發(fā)的被動式高級PWR AP600的基礎(chǔ)上開發(fā)了AP1000。AP1000是單堆中的雙環(huán)裝置，電力1250MWe，設(shè)計壽命60年，主安全系統(tǒng)采用手動設(shè)計，放置在安全殼內(nèi)，安全殼為雙層結(jié)構(gòu)，外層為鋼筋混凝土，內(nèi)層為鋼板結(jié)構(gòu)。26，AP1000核島示意圖，27，第四代核發(fā)電系統(tǒng)概述，第六代核發(fā)電系統(tǒng)，28，1。氣體冷卻快堆系統(tǒng)(GFR)，系統(tǒng)說明：氣體冷卻反應(yīng)堆是快中子能譜的氦冷卻反應(yīng)堆，具有封閉的燃料循環(huán)。芯放置可以相對于菱形的塊狀、圓周或板式燃料組件進(jìn)行放置。GFR可以使用直接循環(huán)布朗循環(huán)燃?xì)鉁u輪發(fā)電，也可以隨時使用加熱作為制氫的熱化學(xué)產(chǎn)品。29，優(yōu)點：中子和錒系的結(jié)合使放射性廢物最小化。可以更有效地使用核裂變和可轉(zhuǎn)換物質(zhì)。發(fā)展情況：GFR的技術(shù)主要來自于許多熱中子氣體反應(yīng)堆和少量快中子氣體冷卻反應(yīng)堆的設(shè)計。英國、德國、美國、日本、中國、南非、俄羅斯。鉛冷卻快堆系統(tǒng)(LFR)，系統(tǒng)說明：鉛冷卻快堆是快中子能譜鉛或鉛/鉍合金液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆，具有封閉燃料循環(huán)，便于有效轉(zhuǎn)換可轉(zhuǎn)換鈾和管理錒。31，優(yōu)點：設(shè)備壽命長，整個內(nèi)核可以在工廠制造組裝，完全不需要電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換。開發(fā)：開發(fā)俄羅斯?jié)撏в勉U鉍合金冷卻反應(yīng)堆技術(shù)，集成快堆金屬合金燃料再利用和再加工技術(shù)。32，3。熔鹽反應(yīng)堆系統(tǒng)(MSR)，系統(tǒng)說明：熔鹽反應(yīng)堆是完全重復(fù)使用超熱中子光譜反應(yīng)堆和錒的燃料循環(huán)，在熔鹽燃料混合物的循環(huán)流中產(chǎn)生裂變能量。熔鹽燃料通過石墨芯通道產(chǎn)生超熱中子。熔鹽中產(chǎn)生的熱量通過一個中間熱交換器傳遞到兩回路冷卻系統(tǒng)，然后通過三段熱交換器傳遞到能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。33，優(yōu)點：封閉燃料循環(huán)的使用會增加钚和微量錒的燃料消耗。熔化的氟化鹽具有良好的傳熱性能，蒸發(fā)壓力很低，從而降低了壓力容器和管道系統(tǒng)中的應(yīng)力。開發(fā)：主要用于推進(jìn)航天器。1954年，在宇宙飛船核反應(yīng)堆的測試中，檢驗了核反應(yīng)堆能達(dá)到的最高溫度(850)。還有溶解鹽燃料的穩(wěn)定性問題和與石墨鎳基物質(zhì)的相容性問題。34，4。鈉冷卻快堆系統(tǒng)(SFR)，系統(tǒng)說明：鈉冷卻快堆是快中子能譜鈉冷卻反應(yīng)堆，有密封的燃料循環(huán)，有助于有效管理錒系并有效轉(zhuǎn)換鈾。該系統(tǒng)的重要安全特征是長熱響應(yīng)時間、寬冷卻水沸騰范圍、主電路系統(tǒng)在接近大氣壓的情況下工作，一回路系統(tǒng)的放射性鈉與發(fā)電廠的水和蒸汽之間存在中間鈉系統(tǒng)。35，優(yōu)點：SFR可以在電力市場使用，SFR是快中子能譜反應(yīng)堆，因此可以更有效地利用可重復(fù)使用的裂變和可轉(zhuǎn)換材料。發(fā)展情況：在法國、日本、德國、英國、俄羅斯、美國等國家，1.1MWt至1200MWt的鈉冷卻液態(tài)金屬反應(yīng)堆已經(jīng)建成并投入使用。36，5。超臨界水冷反應(yīng)堆系統(tǒng)(SCWR)，系統(tǒng)說明：超臨界水冷反應(yīng)堆系統(tǒng)是高溫高壓水冷反應(yīng)堆，可以在水的熱力學(xué)臨界點以上工作。核反應(yīng)堆中使用的燃料是氧化鈾。SCWR系統(tǒng)設(shè)計的主要目的是生產(chǎn)高效的電力產(chǎn)品。37，優(yōu)點：系統(tǒng)的熱效率比當(dāng)前的硬木高約三分之一，但也可以簡單地部署設(shè)備。開發(fā)情況：這些技術(shù)中的很多可以在現(xiàn)有的輕水反應(yīng)堆和超臨界水冷化石燃料商業(yè)發(fā)電站找到，目前還沒有SCWR的圓形堆棧。38，6。超高溫反應(yīng)堆系統(tǒng)(VHTR)，系統(tǒng)說明：超高溫反應(yīng)堆系統(tǒng)是石墨慢冷卻氦，具有一次性鈾燃料循環(huán)的反應(yīng)堆。核反應(yīng)堆是與中間換熱器連接并傳遞熱量的600MWt的核心，可以用于生產(chǎn)氫氣產(chǎn)品，也可以用于石油化工行業(yè)或其他工業(yè)用途的加熱。39，優(yōu)點：高效，加熱和發(fā)電用。靈活地采用鈾/钚燃料循環(huán)，有助于將廢物最小化。發(fā)展情況：基本技術(shù)已經(jīng)在以前的高溫氣體冷卻反應(yīng)堆項目中形成，中國的HTR-10也準(zhǔn)備在10MWt電力水平驗證發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)的可能性。，第40、2、4代核系統(tǒng)的研究開發(fā)計劃，第4代核系統(tǒng)的目標(biāo)是這些系統(tǒng)到2030年為止可以廣泛應(yīng)用，下表列出了第6代第4代核系統(tǒng)研究開發(fā)的主要時間節(jié)點和研究開發(fā)所需的初步預(yù)算。在可行性研究和論證階段，要證明一些核心技術(shù)是可行的，如果上述兩個階段的研究工作進(jìn)展順利，至少要進(jìn)行6年的實際驗證工作，估計需要數(shù)十億美元的資金。41、中國核能的未來，現(xiàn)在中國的核電發(fā)展經(jīng)歷了20年的過程。運行和建設(shè)中的核電站總?cè)萘恳呀咏?0GW，核電發(fā)電功率約占全國總發(fā)電量的2%，形成了浙江秦山、廣東大亞灣、江蘇千萬三大核電基地，為穩(wěn)定發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。從第四代核電站達(dá)成的6種新型核電站中，至少有3種是快堆