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第四章 核 能 发 电. 在能源发展史上，核能的和平利用是一件划时代的大事，它是近代科学对人类社会发展的贡献，目前核电与火电、水电构成的常规电站是电力的主要来源。 核电厂的迅速发展对解决世界能源问题有着现实意义和深远意义，加快发展核能是解决我国本世纪能源问题的一项根本性措施。 我国核电工业起步较晚，1991年自行设计、制造的30万 kW 压水堆核电机组．(浙江秦山核电厂)首次并网发电，实现了核电零的突破，至2003年核电装机容量619万 kW， 只占全国发电装机总容量的1 .6 ％。. 核能的优点. 核能是地球上储量最丰富的能源，又是高度浓集的能源；
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在能源发展史上，核能的和平利用是一件划时代的大事，它是近代科学对人类社会发展的贡献，目前核电与火电、水电构成的常规电站是电力的主要来源。在能源发展史上，核能的和平利用是一件划时代的大事，它是近代科学对人类社会发展的贡献，目前核电与火电、水电构成的常规电站是电力的主要来源。 核电厂的迅速发展对解决世界能源问题有着现实意义和深远意义，加快发展核能是解决我国本世纪能源问题的一项根本性措施。 我国核电工业起步较晚，1991年自行设计、制造的30万kW压水堆核电机组．(浙江秦山核电厂)首次并网发电，实现了核电零的突破，至2003年核电装机容量619万kW，只占全国发电装机总容量的1.6％。
核能的优点 核能是地球上储量最丰富的能源，又是高度浓集的能源； 核电是清洁的能源，有利于保护环境； 核电的经济性优于火电； 以核燃料代替煤和石油，低碳，有利于资源的合理利用。
世界核电现状 自从1954年苏联第一座5 MW试验性核电厂投入运行以来，核电在许多国家和地区已承担基本负荷， 目前世界上30多个国家己运行核电机组441座，总装机容量3.6W亿KW，核电已占世界总发电量的20％ 左右。 从已运行的核电站装机容量来看美国居首位，装机容量占全世界的四分之一，其次是法国、日本、德国和俄罗斯。从发展速度来看法国、日本和韩国保持着较高的发展速度，目前法国核能发电量已占总发电量的80%。 预计到2030年，世界核电站总数将达到1000座，核发电量将占总发电量的三分之一 ，可以预期在相当长一段时期内核电将成为电力工业的支柱。
核电主要发达国家核电比例 法国和立陶宛核电比例高于75%。 比利时、瑞典、乌克兰、韩国等为40~60%。 德国、芬兰、英国等为20~30%。 美国、俄罗斯、加拿大等为10~20%。 中国目前为2%。
中国现有的核电站包括： 浙江秦山核电站（运营中） 一期工程：30万千瓦压水堆核电站 二期工程：两台60万千瓦压水堆核电站 三期工程：两台70万千瓦级重水堆核电机组 广东大亚湾核电站（运营中） 两台98.4万千瓦级压水堆反应堆机组 广东岭澳核电站（运营中） 两台100万千瓦压水堆核电机组 田湾核电站（运营中） 一期工程：2台106万千瓦的俄罗斯AES-91型压水堆核电机组 三门核电站（建设中） 一期工程：两台100万千瓦级压水堆核电机组，2010年投产 广东阳江核电项目（规划建设6台百万千瓦级机组） 辽宁红沿河核电厂（规划建设2台百万千瓦级核电站） 另外有江西、福建、四川、湖南、山东等地规划建设核电站 全球核电比重最大的是法国，70％以上的都是核电。法国有53座核电站。
截至2009年1月底中国大陆运行和在建的商用核电机组截至2009年1月底中国大陆运行和在建的商用核电机组 注：核电项目己批准立项建设，即为在建项目。在建项目中，已经浇灌第一罐混凝土正式开工的机组数目用（）内的数字表示。
截至2009年1月底中国大陆已运行和在建的商用核电机组分布示意图截至2009年1月底中国大陆已运行和在建的商用核电机组分布示意图 注：1 核电项目己批准立项建设，即为在建项目。在建项目中，已经浇灌第一罐混凝土正式开工的机组数目用（）内的数字表示。 2 图中信息截止自2009年1月底。
资料显示，我国现已核准34台核电机组，装机容量3692万千瓦；其中开工在建机组25台，装机容量2773万千瓦，是全球核电在建规模最大的国家。目前，我国正逐步进入核电建设收获期，未来几年将有大批核电机组建成投运。
大亚湾核电站 广东省深圳市龙岗区大鹏镇大坑村
岭澳I期核电站 广东省深圳市龙岗区大鹏镇岭澳村
秦山I期核电站 浙江省嘉兴市海盐县秦山镇
秦山II期核电站 浙江省嘉兴市海盐县武原镇杨柳山
秦山III期核电站 CANDU型重水压水堆 由加拿大原子能源有限公司(AECL Atomic Energy of Canada Limited)投资设计建造并经营，运行20年后产权和管理归属中国。 秦山三期重水堆核电站
三门核电站 浙江省嘉兴市海盐县秦山镇螳螂山
田湾核电站 江苏省连云港市连云区高公岛乡田湾
第一节 核裂变反应堆 一、核能基本知识 物质是由原子组成的， 每一个原子含有一个带正电的原子核，核的周围有若干带负电的电子。 原子核位于原子的中心，电子绕其不断旋转运动，类似太阳系的缩影。 原子核由质子和中子两种基本粒子组成，质子是带有一个单位正电荷的粒子，其电量等于电子电荷的电量，质子实际上就是氢原子核(去掉惟一电子的氢原子)，而中子则不带电呈中性，质量稍大于质子，质子和中子统称为核子。 原子核 （质子 中子） 原子 { 电子
卢瑟福大胆假设 ——创造性的思维 在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间运动。 原子核的发现意义重大，开辟了原子核物理的新领域，卢瑟福被人们尊称为原子核物理之父。
原子的直径约10-8cm，原子核的直径约10-12cm仅为原子的1／10000，原子的直径约10-8cm，原子核的直径约10-12cm仅为原子的1／10000， 但原子核的密度极大(1017kg／m3)其质量却占整个原子质量的99．94％以上。因此，原子是一个空旷的微观世界，内部存在着很大的空间。
原子、原子核的大小 原子直径 数量级10 – 8 m 原子核直径 数量级10–12 m 原子核直径是原子直径的万分之一 原子内部 十分空虚 原子 半径100米大球 原子核 球中心1毫米沙粒
稳定状态下的原子，核内质子数等于核外的电子数，原子呈电中性。核内的质子数为该原子的原子序数z，核内质子数和中子数之和称为质量数A。由于质子和中子的质量都接近于1原子质量单位，所以原子的质量接近于A个原子质量单位。一个原子核的成分可以用它所含有的质子数Z和中子数(A-Z)来表示，通常用核素来描述具有确定的核成分的原子粒种，而原子序数z相同、质量数A不同的原子具有基本相同的化学性质，则称为同位素。稳定状态下的原子，核内质子数等于核外的电子数，原子呈电中性。核内的质子数为该原子的原子序数z，核内质子数和中子数之和称为质量数A。由于质子和中子的质量都接近于1原子质量单位，所以原子的质量接近于A个原子质量单位。一个原子核的成分可以用它所含有的质子数Z和中子数(A-Z)来表示，通常用核素来描述具有确定的核成分的原子粒种，而原子序数z相同、质量数A不同的原子具有基本相同的化学性质，则称为同位素。 • 如天然铀由铀—238(占99.27％)、铀—235(占0.71％)、铀—234(占0.006％)三种同位素组成，但它们却是三种不同的核素。
质子 中子 核力 １、质子之间由于电荷存在很大的相互排斥的斥力。但质子之间也有引力。 ２、质子和中子之间存在强大的吸引力。 ３、原子核的结构是非常牢固的。 核子以什么力结合成原子核？ 原子核示意图
质子 中子 核力：使核子结合在一起的强相互作用 核力是只在2.0×10－15m距离内起作用的短程强相互作用力。由于核子的大小约为0.8×10－15m，故只有相邻的核子之间才有核力作用。 原子核示意图
原子核内为什么具有如此强大的核能? • 实验发现：原子核的实际质量总是小于组成它的核子(质子和中子)质量之和，即出现了质量减小的现象，称之为质量亏损。爱因斯坦从相对论得出质量与能量间的互换关系为 • E=mc2=9 X 1016m • 式中，m是质量，kg；c是光速，m／s；E是能量，J (N﹒m).
上式说明了质量和能量都是物质存在的形式，只有质量而没有能量或只有能量没有质量的物质是不存在的。 • 从质能关系微分形式△E=△mc2可以看出，只要有质量的变化就一定有能量的变化，反之亦然。
这样，不难理解：结合能就是组成原子核时减少的质量转换而来，质量亏损与结合能相对应，只要有一个微小的质量亏损就会出现一个巨大的结合能。实验还发现所有原子核的质量亏损都是正值，表明由自由核子结合成原子核时，一定有能量释放出来。这同样满足能量守恒定律，只不过必须从广义的角度来看，将核子的质量变化(核位能不同)考虑进去。这样，不难理解：结合能就是组成原子核时减少的质量转换而来，质量亏损与结合能相对应，只要有一个微小的质量亏损就会出现一个巨大的结合能。实验还发现所有原子核的质量亏损都是正值，表明由自由核子结合成原子核时，一定有能量释放出来。这同样满足能量守恒定律，只不过必须从广义的角度来看，将核子的质量变化(核位能不同)考虑进去。
原子核的结合能除以组成该原子核的核子数，得到每个核子在原子核中的平均结合能(比结合能)。它是表示原子核结合松紧程度的物理量，平均结合能越大，则每个核子平均放出的能量越大，原子核结合得越紧，不同原子核的平均结合能是不一样的(见图1-45)。原子核的结合能除以组成该原子核的核子数，得到每个核子在原子核中的平均结合能(比结合能)。它是表示原子核结合松紧程度的物理量，平均结合能越大，则每个核子平均放出的能量越大，原子核结合得越紧，不同原子核的平均结合能是不一样的(见图1-45)。
从图可以看出，曲线的形状是中间高且较平坦，两端低。这表明具有中等质量(50-150)原子核结合最紧，平均结合能最大；较轻的原子核(轻核)和较重的原子核(重核)结合较松，平均结合能小一些。从图可以看出，曲线的形状是中间高且较平坦，两端低。这表明具有中等质量(50-150)原子核结合最紧，平均结合能最大；较轻的原子核(轻核)和较重的原子核(重核)结合较松，平均结合能小一些。 • 据此，原子核能的利用有两种形式，一种形式称为重核裂变，一个重核分裂成两个中等质量核的过程中，平均结合能由小变大，有核能释放出来，这就是原子弹和裂变反应堆能释放出巨大能量的道理。 • 另一种形式称为轻核聚变，两个轻核合成一个较重核的聚合过程，同样有核能释放出来，这就是氢弹和热核反应释放大量能量的基本原理。
裂变和聚变 获取核能的两条途径： 物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变．把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做聚变． 〓 聚变 〓 裂变
铀核的裂变 1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，释放出的中子又引起了其他铀核的裂变，也就是链式反应． 铀核裂变时总要同时放出2~3个中子，如果这些中子再引起其他铀核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫做链式反应。
链式反应的模拟 • 用多米诺骨牌模拟链式反应． • 观察：如图18—4所示，将15块多米诺骨牌排成一个三角形．将第一块多米诺骨牌推倒，使它倒向第二排的多米诺骨牌，观察所发生的现象．
二、重核裂变反应 • 一种原子核转变为另一种原子核的过程称为核反应，裂变反应是可裂变重核分裂成两个或两个以上同一量级的较轻核并放出能量的核反应。 • 因此，首先要确定能进行裂变的核素， 即可裂变核素作为“靶核”，并找到合适的高速粒子作“炮弹”轰击它使其发生破裂，将核能释放出来。
中子呈电中性、质量比质子略大，容易穿透核外的电子层，可以在高速、中速或低速下轰击一个重核使其裂变而不受排斥，是目前切实可行的理想炮弹。但是，并不是所有核素的原子核受到中子的轰击都会发生裂变反应，目前最重要的可裂变核素为铀-233、铀-235、钚-239、钍-232、铀-238，前三种都是很重要的易裂变核素，用任意动能的中子轰击时都能引起其原子核的裂变，可是铀-233、 钚-239在自然界中几乎测不出它们的存在，而铀-235是自然界中惟一天然存在的易裂变核素，储量不多。钍-232、铀-238需能量很大的中子作用，才可能发生裂变，但钍-232、铀-238在俘获(吸收)中子后，经过放射性衰变会生产新的人工易裂变核素—铀-233和钚-239，因此把钍-232、铀-238称为可转换核素，这对反应堆的运行具有十分重要的意义。
以铀-235为靶核的核裂变的反应式可以作如下描述： • 一个铀-235核 + 一个中子 裂变碎片核A+裂变碎片核B + 2－3个中子 + 能量 • 据测定，单个铀-235核裂变约有200MeV(兆电子伏特、核物理中常用的能量单位)以上的能量释放出来，这是因为铀-235原子核吸收中子后，核内中子、质子等基本粒子进行了重新分配；
而在火电厂中，煤的燃烧属于化学反应过程，只是物质的原子重新组合及其电子重新分配，一个碳原子与两个氧原子化合成一个二氧化碳分子，所释放出的化学能仅为4.1ev。经过推算，1kg铀-235裂变后释放出的热能，相当于2800t标准煤完全燃烧所释放出的热能，由此可见核裂变所释放出的能量非常巨大。而在火电厂中，煤的燃烧属于化学反应过程，只是物质的原子重新组合及其电子重新分配，一个碳原子与两个氧原子化合成一个二氧化碳分子，所释放出的化学能仅为4.1ev。经过推算，1kg铀-235裂变后释放出的热能，相当于2800t标准煤完全燃烧所释放出的热能，由此可见核裂变所释放出的能量非常巨大。 • 裂变能主要是通过裂变碎片的动能形式转化为热能，它约占释放出的总能量的84％，其余约16％的能量，则为裂变中中子的能量和裂变产物衰变释放出的能量。
在释放能量的同时，还释放出2-3个新中子(平均2．43个新的中子)即第二代中子，则下一代又有2-3个铀-235核被击中而发生裂变，并且每一个裂变的铀-235核又放出2-3个新生中子，且一代一代地传下去。这种一旦在铀核裂变开始，不需要外界的作用便能像链条一样自动地、一环扣一环地持续进行下去的核裂变反应，称为自持链式裂变反应。发生到第60代时，约有280g的铀-235发生了核裂变，它所放出的能量，相当于700多吨标准煤所能发出的能量。
三、反应堆控制基本原理 用于维持和控制链式反应并实现核能转换成热能的装置，称为反应堆。 最早的核反应装置是用核燃料和石墨块“堆砌”而成的，故取名为堆。
在重核裂变反应时，每次裂变要释放出 • 2-3个中子，而维持裂变链只需要1个中子，似乎裂变反应一旦发生，它就很容易自行维持。然而并不是所有裂变中产生的中子都能用于维持裂变链的：一些中子从裂变系统中泄漏；可裂变核素非裂变俘获；慢化剂、冷却剂、裂变产物、结构材料、杂质等的有害吸收都会造成中子损失。
由此可以看出，要维持自持链式反应，其最低限度是：当每一个核俘获一个中子产生裂变后，新产生的裂变中子，平均至少要有一个中子能去引起另一个核的裂变。这可以用中子增殖因数K来表示： 由此可以看出，要维持自持链式反应，其最低限度是：当每一个核俘获一个中子产生裂变后，新产生的裂变中子，平均至少要有一个中子能去引起另一个核的裂变。这可以用中子增殖因数K来表示： • K=新生一代中子数／生产它的直属上一代中子数。 • K＝1，每一代中子数是一个常数，链式反应处于稳定的工作状态即临界状态； • K＞1，中子数一代比一代多，链式反应规模越来越大，称为超临界状态； • K＜1，中子数一代比一代少，链式反应规模越来越小直到停止，称为次临界状态。
为了使链式反应以恒定的速度持续进行(临界状态)，需要使新产生的中子与被吸收掉的中子严格地保持平衡，平均每吸收或损失掉一个中子也必须相应地生产出一个中子，刚好用其中的一个中子去引起另一次裂变。因此反应堆必须有为了使链式反应以恒定的速度持续进行(临界状态)，需要使新产生的中子与被吸收掉的中子严格地保持平衡，平均每吸收或损失掉一个中子也必须相应地生产出一个中子，刚好用其中的一个中子去引起另一次裂变。因此反应堆必须有 • 一定量的易裂变物质; • 一定大小的尺寸. 维持自持链式裂变反应所需要的易裂变物质的最小质量叫做临界质量，达到临界状态所需的最小几何尺寸称为临界尺寸。
然而设计一个反应堆使得中子增殖因数K恰好等于1是不可能的，反应堆内必须多装上一些易裂变物质，产生的多余的中子用其他材料吸收掉。用来控制中子数的材料中子吸收能力强(如碳化硼、银-铟-镉合金等)，做成可移动的棒形结构即为反应堆中的控制棒。通过控制棒改变中子被吸收的份数，调节中子增殖因数K来实现对反应堆功率的控制。然而设计一个反应堆使得中子增殖因数K恰好等于1是不可能的，反应堆内必须多装上一些易裂变物质，产生的多余的中子用其他材料吸收掉。用来控制中子数的材料中子吸收能力强(如碳化硼、银-铟-镉合金等)，做成可移动的棒形结构即为反应堆中的控制棒。通过控制棒改变中子被吸收的份数，调节中子增殖因数K来实现对反应堆功率的控制。
现在关键问题是必须控制反应速度以保证反应堆安全运行，在链式反应中相邻两次裂变之间的时间是非常短暂的，裂变产生的大多数中子是在10-17s左右的时间发出的(瞬发)，即使在热中子反应堆中，一个中子从慢化到引起下一次裂变大约只需要10－4s。就是说中子增殖因数X只要比1稍大一点，反应堆的功率就会很快地上升，如K＝1.0011000代以后(仅需0.1s)，堆内的中子总数以及功率就会上升2.7倍(1.0011000)，反应堆难以控制。实际上，反应堆中产生的中子并非都是“瞬发”的，对于重核裂变的反应堆，大约有不到1％的中子是由裂变产物经过衰变产生的，而裂变产物的半衰期从几分之一秒到几分钟，这部分中子称为缓发中子。缓发中子的数量虽少，但产生时间比刚才提到的10－4s长得多，足以使堆内中子数的变化速率大大减低，使反应堆的控制得以实现。
四、裂变反应堆基本构成、燃料转换(一)裂变反应堆基本构成四、裂变反应堆基本构成、燃料转换(一)裂变反应堆基本构成 核电厂中的反应堆放置在密闭的安全壳内，以防止反应堆中的放射性物质发生意外泄漏，安全壳有着很厚的混凝土地基和墙壁通常呈圆柱型。 • 反应堆主要由一个活性堆芯组成，在其中以热量形式释放出来。堆芯置于反应堆压力容器(压力壳)中，由燃料组件、控制组件、中子源组件等组成，如图1-46所示。
