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商用核能于涛核科学技术学院yutao29@sina.com核能:利用核裂变和核聚变反应释放出能量的原理,开发出能源或动力装置和核武器。主要应用有:核电站、核潜艇、原子弹、氢弹和中子弹。第一节核能从哪里来?爱因斯坦的贡献质量亏损能量的来源原子核的结合能各类能量的比较爱因斯坦的贡献质能关系ΔE=ΔMC2一个美丽的姑娘伴你对坐一小时,你好像觉得只有一分种似的短暂;要是你在火炉上坐一分钟呢?你又觉得像有一小时那样长了!物体的质量是它所包含的能量的一种度量——《物体的惯性与它的质量有关吗?》举例:1g质量的能量是,E=10-3×[2.9978×108]2=8.9875×1018(J)1u(原子质量单位)的能量是,E=1.6605×10-27×[2.9978×108]2=8.9875×1018(J)=931.5(MeV)一些粒子的能量和质量粒子静止质量m0(u)能量m0c2(MeV)电子e0.00054850.5110034质子p1.0072764938.2796中子n1.0086650939.5731氘核d2.01355301875.628氚核t3.01550102808.944氦核α4.00150603727.409质量亏损•氦原子核(4He)由2个质子+2个中子构成2个质子质量+2个中子质量=﹖原子核4He的质量2x1.007276+2x1.008665-4.002603ΔM(4He)=4.031882-4.002603=-0.029279uΔE(4He)=ΔM(4He)C2=27.27MeV亏损的质量转化为能量氦原子核的结合能是27.27MeV亏损的质量哪里去了?能量的来源原子核的结合能定义实验发现,任何原子核的质量亏损总是大于零,表明由自由核子结合成原子核时,有能量释放出来。•原子核平均结合能(比结合能)曲线1各原子核中,每个核子的平均结合能随质量数而变化6-9MeV2中等重量的原子核的比结合能较大释放能量途径:1)重核裂变2)轻核聚合成原子核252Cfα自发裂变中子引起235U裂变H原子核聚合H的燃烧太阳能•释放能量举例例:估算裂变释放的能量n+235U(236U)X+Y+E假设裂变成质量相等的两块质量数各约为118235U核子平均结合能7.6MeV质量数为118的原子核平均结合能8.6MeV两者平均结合能差1MeV230多个核子总的E=200MeV!比较:裂变能n+235UX+Y+E200MeV化学能C+O2CO2+E4ev汽油与氧的爆炸,一个分子释放40-50eVTNT爆炸自身释放能量,每个分子30eV第二节裂变能利用与核电站一、裂变反应堆原理二、什么是核电站三、压水堆核电站四、其他类型核电站五、反应堆安全六、核电是安全经济的能源世界上有机燃料的储量是有限的,总有一天要用完。全世界石油、天然气和煤炭的已探明储量,按目前的消耗水平来看,少则几十年,多的(如煤炭)也只能开采几百年。而且,全世界对能源的需求量逐年在增加,照目前能源需求的增长势头,如果我们仅依赖于石油或煤炭这样一些化石燃料,终将会发生能源危机。化石能源所造成的环境污染也将严重危害人类的生存;风能、太阳能、水力发电都不同程度的受到地域、气候等的影响而不能成为最终能源;人类需要可持续发展的能源——核能!一、裂变反应堆原理235U+n→90Kr+144Ba+2n+E.235U+n→(236U)*原子核裂变的确认与液滴模型细胞繁殖时的分裂现象原子核“液滴”模型多么像我在显微镜下面看到的细胞繁殖时的分裂现象啊!阿诺德fissionEnergyfromoneU-235FissionMeVFissionfragmentkineticenergy166Neutrons5Promptgammarays7Fissionproductgammarays7Betaparticles5Neutrinos10Total200一公斤铀235全部裂变释放的能量,相当于2万吨梯恩梯炸药爆炸时放出的能量。铀-235裂变释放的能量一个中子把一个易裂变原子核轰击成两半,释放出能量,同时又跑出两个以上中子——裂变反应链式裂变反应这些中子又去轰击更多的原子核,触发下一级裂变。这样分裂,分裂,越来越猛烈的分裂。能量,能量,越来越多的能量。费米把这种现象称为链式裂变反应。链式裂变反应如何进行并维持呢?此代裂变产生的中子总数与前一代裂变产生的中子总数的比值。如果裂变产生100个中子(第一代中子),经过慢化再引起下一次裂变,若产生102个中子(第二代中子),则K=1.02。K=1时为临界状态,需要的最小的裂变燃料数量叫做临界质量。此时,中子数保持不变,链式反应可继续进行下去每秒钟内发生恒定的裂变数,每次裂变放出的能量也一定,这表明反应的功率保持一定水平不变。当K>1时,中子数越来越多,功率在增加,这个状态称为超临界状态。当K<1时,中子数越来越少,功率也在下降,这种状态称为次临界状态。有效增值系数或再生系数K裂变堆的发展历史•1938年,德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现U原子的裂变现象,而且一个U原子裂变放出的能量(200Mev)比一个C原子氧化放出的能量(4.1ev)大5107倍,如此巨大的能量如何利用呢?•1942年12月,意大利物理学家费米等在美国芝加哥大学建造了世界第一座人工裂变反应堆。美国又利用U-238转化成Pu-239原子弹装料,制造了钚原子弹,又利用反应堆作动力建造了核潜艇。•20世纪40-50年代,裂变反应堆主要用于军事目的。•50年代中期,世界上大量建造研究堆,同时用以发电。•60年代中期起,许多国家大力发展核电站或核动力。裂变反应堆费米研制的第一座裂变堆裂变反应堆的组成反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应,从而实现核能—热能转换的装置。核反应堆是核电厂的心脏,核裂变链式反应在其中进行。反应堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。堆芯中的燃料:反应堆的燃料,不是煤、石油,而是可裂变材料。燃料包壳:为了防止裂变产物逸出,一般燃料都需用包壳包起来,包壳材料有铝、锆合金和不锈钢等。控制与保护系统中的控制棒和安全棒: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。控制棒用来补偿燃料消耗和调节反应速率;安全棒用来快速停止链式反应。吸收体材料一般是硼、碳化硼、镉、银铟镉等。冷却系统中的冷却剂:为了将裂变的热导出来,反应堆必须有冷却剂,常用的冷却剂有轻水、重水、氦和液态金属钠等。慢化系统中的慢化剂:由于慢速中子更易引起铀-235裂变,而中子裂变出来则是快速中子,所以有些反应堆中要放入能使中子速度减慢的材料,就叫慢化剂,一般慢化剂有水、重水、石墨等。反射层:反射层设在活性区四周,它可以是重水、轻水、铍、石墨或其它材料。它能把活性区内逃出的中子反射回去,减少中子的泄漏量。屏蔽系统:反应堆周围设屏蔽层,减弱中子及γ剂量。辐射监测系统:该系统能监测并及早发现放射性泄漏情况。反应堆的结构形式和分类反应堆的结构形式是千姿百态的,它根据燃料形式、冷却剂种类、中子能量分布形式、特殊的设计需要等因素可建造成各类型结构形式的反应堆。目前世界上有大小反应堆上千座,其分类也是多种多样。按能谱分有:由热能中子和快速中子引起裂变的热堆和快堆;按冷却剂分有:轻水堆,即普通水堆(又分为压水堆和沸水堆)、重水堆、气冷堆和钠冷堆。按用途分有:(1)研究试验堆:是用来研究中子特性,利用中子对物理学、生物学、辐照防护学以及材料学等方面进行研究;(2)生产堆,主要是生产新的易裂变的材料铀-233、钚-239;(3)动力堆,利用核裂变所产生的热能广泛用于舰船的推进动力和核能发电。核电站就是利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。反应堆是核电站的关键设备,链式裂变反应就在其中进行。二、什么是核电站核电站工作原理核电厂用的燃料是铀。用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内产生蒸汽,蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转,电就源源不断地产生出来,并通过电网送到四面八方。三、压水堆核电站以压水堆为热源的核电站。它主要由核岛和常规岛组成。压水堆核电站核岛中的四大部件是蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯。在核岛中的系统设备主要有压水堆本体,一回路系统,以及为支持一回路系统正常运行和保证反应堆安全而设置的辅助系统。常规岛主要包括汽轮机组及二回等系统,其形式与常规火电厂类似。1反应堆:将核能转变为热能(高温高压水);2蒸汽发生器:将一回路高温高压水中的热量传递给二回路的水,使其变为饱和蒸汽。3汽轮机:将饱和蒸汽的热能转变为高速旋转的机械能;4发电机:将汽轮机传来的机械能转变为电能。能量转换“四步曲”压水堆核电站流程示意图3.1一回路系统一回路冷却剂的循环:主泵→反应堆堆芯→蒸汽发生器倒U型管一次侧→主泵1、反应堆结构作用:1、链式反应维持;2、热量导出;3、反应堆安全性。2、堆芯布置分区装载、定期倒换3、燃料组件4、主泵作用:唧送冷却剂,强迫循环流动流量:15000—20000m3/h5、稳压器功能:1、压力控制2、超压保护6、蒸汽发生器作用:1、作为热交换设备,产生蒸汽;2、作为连接设备,隔离一、二回路。大亚湾核电厂反应堆一回路系统的主要特性参数系统额定热功率:2905MW;工作压力:15.5Mpa;设计压力,17.23MPa;现场水压试验22.9Mpa,蒸汽发生器二次侧压力:6.89MPa每条环路在冷态温度下的流量率(热工设计流量率:22840m3/h)额定流量率:23790m3/h,机械设计流量率:24740m3/h)满功率运行下的温度:(堆芯入口292.4℃,堆芯出口329.8℃,堆芯平均310.0℃),压力容器设计温度:343℃最佳预定工况下环路压力降:(反应堆:0.323Mpa,蒸汽发生器:0.333Mpa,管路:0.051Mpa,整个环路:0.707MPa)3.2二回路系统1、功能:将一回路提供的热能(高温高压蒸汽)转变为汽轮机高速旋转的机械能,带动发电机发电;在停机或事故工况下,保证一回路的冷却。蒸汽发生器高压缸汽水分离再热器低压缸冷凝器低压加热器除氧器高压加热器凝结水泵主给水泵大亚湾核电站汽轮发电机组除氧器水箱外型发电机转子发电机内定子发电机外定子输电塔核电站不会像原子弹爆炸,核燃料中的有效成分是铀-235,铀-235同样也是原子弹中的核炸药,那么核电站会不会像原子弹那样爆炸呢?不必担心,绝没有这种可能性!核燃料中铀-235的含量约为3%,而核炸药中铀-235含量高达90%以上。核燃料引不起核爆炸,正像啤酒和白酒都含有酒精,白酒因酒精含量高可以点燃,而啤酒则因酒精含量低却不能点燃一样。白酒与啤酒四、电站核安全原子弹是由高浓度的(大于93%)裂变物质铀-235或钚-239和复杂而精密的引爆系统所组成的。通过引爆系统把裂变物质压紧在一起,达到超临界体积,于是瞬时形成剧烈的不受控制的链式裂变反应,在极短时间内,释放出巨大的核能,产生了核爆炸。而反应堆的结构和特性与原子弹完全不同,反应堆大都采用低浓度裂变物质作燃料,而且这些燃料都分散布置在反应堆内,在任何情况下,都不会像原子弹那样将燃料压紧在一起而发生核爆炸。而且,反应堆有各种安全控制手段,以实现受控的链式裂变反应。核电站与原子弹1、核安全定义及三要素核安全:保护核电厂工作人员、公众和环境免受反应堆裂变产物可能造成的放射性危害。保证核安全的三要素:(1)反应性控制(2)堆芯冷却(3)放射性产物的包容放射性释放后的辐射影响和防护措施FoodchainLiquidreleasesLiquidreleasesExternalexposureExternalexposureAtmosphericreleasesSoilInhalationIngestion碘,惰性气体等冲洗,沉降吸入食入2、三重屏障核燃料裂变时既产生巨大的能量,也产生大量的放射性裂变产物。为防止这些放射性产物外逸,核电站设置了三重屏障:
本文标题:核能概述
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