22.2 核能.ppt

热中子反应堆，它是用慢化剂把快中子速度降低，使之成为热中子（或称慢中子），再利用热中子来进行链式反应的一种装置。由于热中子更容易引起铀－235等裂变，这样，用少量裂变物质就可获得链式裂变反应。慢化剂是一些含轻元素而又吸收中子少的物质，如重水、铍、石墨、水等。热中子堆一般都是把燃料元件有规则地排列在慢化剂中，组成堆芯。链式反应就是在堆芯中进行的。 反应堆必须用冷却剂把裂变能带出堆芯。冷却剂也是吸收中子很少的物质。热中子堆最常用的冷却剂是轻水（普通水）、重水、二氧化碳和氦气。 自从核电站问世以来，在工业上成熟的发电堆主要有以下三种：轻水堆、重水堆和石墨汽冷堆。 轻水堆又分为压水堆和沸水堆 。 压水堆：高压冷却剂送入反应堆，一般冷却剂保持在120～160个大气压。在高压情况下，冷却剂的温度即使300℃多也不会汽化。冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆，并进入蒸汽发生器，通过数以千计的传热管，把热量传给管外的二回路水，使水沸腾产生蒸汽 。 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。 沸水反应堆发电系统 重水堆按其结构型式可分为压力壳式和压力管式两种。 压力管式重水堆主要包括重水慢化、重水冷却和重水慢化、沸腾轻水冷却两种反应堆。这两种堆的结构大致相同。 重水堆的突出优点是能最有效地利用天然铀。由于重水慢化性能好，吸收中子少，这不仅可直接用天然铀作燃料，而且燃料烧得比较透。重水堆比轻水堆消耗天然铀的量要少，如果采用低浓度铀，可节省天然铀38%。在各种热中子堆中，重水堆需要的天然铀量最小。此外，重水堆对燃料的适应性强，能很容易地改用另一种核燃料。它的主要缺点是，体积比轻水堆大。建造费用高，重水昂贵，发电成本也比较高。 石墨气冷堆核电站 所谓石墨气冷堆就是以气体（二氧化碳或氦气）作为冷却剂的反应堆。这种堆经历了三个发展阶段，产生了三种堆型：天然铀石墨气冷堆、改进型气冷堆和高温气冷堆。 天然铀石墨气冷堆 是天然铀作燃料，石墨作慢化剂，二氧化碳作冷却剂的反应堆。 高温气冷堆 是石墨作为慢化剂，氦气作为冷却剂的堆。它的简单工作过程是，氦气冷却剂流过燃料体之间，变成了高温气体；高温气体通过蒸汽发生器产生蒸汽，蒸汽带动汽轮发电机发电。 高温气冷堆有特殊的优点：由于氦气是惰性气体，因而它不能被活化，在高温下也不腐蚀设备和管道；由于石墨的热容量大，所以发生事故时不会引起温度的迅速增加；由于用混凝土做成压力壳，这样，反应堆没有突然破裂的危险，大大增加了安全性；由于热效率达到40%以上，这样高的热效率减少了热污染。但是高温气冷堆技术较复杂。 2000年1月,在美国能源部的倡议下,10个有意发展核能利用的国家派专家联合组成了“第四代国际核能论坛”(generationⅣ nuclear Energy International Forum,简称GIF),于2001年7月签署了合约(Charter),约定共同合作研究开发第四代核能系统(GenⅣ)。这10个国家是:美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷。第四代核能系统开发的目标是到2030年或更早的时间里创新地开发出新一代核能系统,使其在安全性、经济性、可持续发展性、防核扩散以及防恐怖袭击等方面都有显著的先进性和竞争能力;它不仅要考虑用于发电或制氢等的核反应堆装置,还应把核燃料循环也包括在内,组成完整的核能利用系统。 GIF在2002年5月巴黎举行的研讨会上,选定了六种反应堆型的概念设计,作为第四代核能系统优先研究开发的对象。这六种堆型中,有三种是热中子堆,有三种是快中子堆。属于热中子堆的是:超临界水冷堆;很高温气冷堆;熔盐堆。属于快中子堆的是:带有先进燃料循环的钠冷快堆;铅冷快堆;气冷快堆。 可控热核聚变堆的前景展望 太阳之所以有这样大的高温高压,是因为它的质量是地球的33万倍,所以它的物质之间的相互引力特别大,足以克服带正电的氢原子核之间的正电斥力,使四个氢原子核聚合成一个氦原子核,就发出了能量。所以,太阳能本质上是核聚变能。 但是,在地球上我们就没有这样的条件。由于原子核都带正电,它们相互间的正电斥力远远大于质量引力,所以在地球上只能靠人工条件来实现聚变。多年的研究说明把原子核约束到一起的主要途径有二:磁约束和惯性约束。80年代以来,一些大型托卡马克(磁约束)装置取得的试验成果证明了这些聚变装置的输出能量能大于输入能量,宣告了磁约束受控热核聚变的科学可行性已被证实。