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核能的广泛利用 （核电与核动力） 北京大学物理学院 郑春开 引 言 核军事工业为核能利用创造条件 核电 — 电力工业三大支柱之一 1公斤235U 裂变能 = 2700 吨优质煤 30多个国家436座核电机组在运因营 发电量已占 17% 核动力不可替代的特殊应用 军用建立的基础和推动 核武器研制为核能利用打下物质基础 50年代初军用的推动（核潜艇） ： 潜艇的动力问题：柴油发电、蓄电池 水下时间有限 1950-51美国两座反应堆尝试核能发电取得成功（其中快堆产生的蒸汽带动发电机，发出200千瓦的核电，还有压水堆） 1951.8.美海军与厂方签订建造第一艘核潜艇合同，次年美国国会批准经费。 1954年苏联建成世界第一座5000千瓦核电站 核反应堆 — “原子锅炉” 核反应堆与原子弹根本区别： 实现可控制链式裂变反应的装置 堆芯（热堆） 燃料组件、控制棒、 冷却剂、慢化剂 启动中子源 压力容器 核反应堆类型 种类繁多（按中子能量分）： 热堆（热中子反应堆） 快堆（热中子反应堆） 热堆：裂变释放快中子（～1 MeV） ↓慢化剂(轻水、重水、石墨) 热中子 按减速剂分：（轻水、重水、石墨）堆 压水堆核电站示意图 热中子反应堆的结构 （热中子引起链式反应） 1. 核燃料：天然铀(238U～99.3%, 235U～0.7%) 低浓铀（235U～3-4%） 2. 慢化剂：轻水、重水、石墨 3. 冷却剂：轻水、重水、液态金属、气体 4. 结构材料: 耐腐蚀、抗辐射、高强度 5. 控制调节系统：控制棒（镉、硼） 压水反应堆 压水反应堆 优越性：技术成熟、安全 堆芯： 燃料组件、控制棒、启动中子源、 冷却与慢化水、控制棒等 140大气压，350℃ — 维持液态（压水堆） 压力容器： 高13米，内径5米，厚20厘米钢筒 安全壳：高60～70米，厚1米水泥壳，内衬5毫米不锈钢 秦山核电站 核电站的几种商用堆型 堆 型 燃 料 慢化剂 冷却剂 优 点 压水堆 低浓铀 高压水 高压水 成 熟 重水堆 天然铀 重水 重水、轻水 天然铀 沸水堆 低浓铀 沸腾轻水 沸腾轻水 效率高 汽冷堆 低浓铀 石墨 氦气 生产堆 快 堆 钚、高浓铀 液钠、氦气 增 殖 *高温气冷堆，美、日等少数国家掌握 核燃料的增殖的快堆电站 热堆电站铀的利用率太低～1-2%（包括再生） 铀-238再生核燃料钚-239： n → 238U → 239U → 239Np → 239Pu 快堆电站： 燃料：钚-239、无慢化剂，钠或氦冷却剂 中子增殖：1个快中子→ 239Pu吸收→2.45个快中子→余 1.45个快中子→238U→ 239Pu (再生) 结果：只“烧掉”铀-238，再生更多的钚-239, 天然的238U全部可利用（包括热堆乏燃料！） 快堆电站提高铀利用率：60-70% 铀资源可用2000年！ 现在运行的试验快堆电站： 法国“超凤凰”快堆，120万千瓦 美国示范快堆，35万千瓦 中国原子能院正在建造试验快堆 中国实验快堆在建设中2005年底建成，热功率65兆瓦，电功率20兆瓦 为人类提供长期稳定的能源 人类生存发展面临能源的严峻挑战 化石燃料资源有限，不可能长期满足人类生存发展需要。 常规能源有限，几十或数百年将耗尽！ 直接燃烧化石燃料，给环境造成严重威胁 排放大量有害物质： 一氧化碳、烟尘、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳（温室效应）；三、四苯芘（强致癌）；放射性飘尘（辐射损伤）。 煤污染最严重，石油次之，天然气相对干净 核能为人类生存发展提供长期稳定的能源！ 核电是经济清洁安全的新能源 核电的经济性 核电站：建造成本高，燃料成本低 100万千瓦，每年30吨核燃料（235U消耗 1吨） 煤电站：低能、耗料量大 建造成本低，燃料成本高 100万千瓦，每年330万吨优质煤 (每天150节60吨车皮) 在一定条件下，核电成本比煤电低 1999年美国核电成本每度1.88美分，煤电是2.07美分，油电是3.18美分，天然气是3.52美分。