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1、核能发电原理2光速（*3!&% 米 4 秒）。按这个公式，一个铀-$* 原子核受一个中子轰 击，分裂成 $ 块 碎 片 ，并 放 出 $.* 个 中 子（平 均 $) 个），释放出约 $&567 能量，极小的质量转化成了 极大的能量。及主要堆型$核电站工作原理将原子核裂变（或聚变）所释放的核能转变为电 能的系统和设备通常称为核电站。原子核反应堆类 型不同，核电站的系统和设备也有所不同。下面以压水反应堆（核电站的主力堆型），为例，介绍核电站的工作原理。 压水堆核电站主要由原子核反应堆、一回路系统、二回路系统及其它辅助系统和设备组成。其流程原理示意如图 ! 所示。!湖南省科学技术研究开发院周全之!
2、 引言核能是一种高度密集的优质能源，但要让核能释放出来作 为发电，不是一件容易的事。!#$ 年 !$ 月 $ 日，科学家费米和 同事们在美国芝加哥大学，实现了世界上第一次受控自持链式 反应，这个反应进行了 $% 分钟，虽然它的功率小（最高只达到$& 瓦），但是它的意义是十分巨大的；! 年，美国建成了世界上第一个核能发电装置；!# 年 ( 月，前苏联建成世界上第 一座 &) 万千瓦核电站。$&* 年统计数据显示，全世界运行的 核电机组数为 #& 台，占世界总发电能力的 !(+。在建核电机 组数为 *! 台。世界核发电量所占比例已从 !,* 年的 *+上升 到现在的 !,)*+。预计到 $&$&
3、年，核电在能源结构中应占有$+的比例。美国是世界上核电站最多的国家，拥有全世界四 分之一的核电反应堆。立陶宛和法国是世界上核电比例最高的 国家，核发电量占该国总发电量的 ,+以上。$&* 年，中国大 陆全年发电量中 $)$+来自于核电；台湾省核电已占其总发电 量的 $(+。图 压水堆核电站工作原理示意图一回路系统是将裂变能转化为水蒸气的热能装置。它由反应堆、一回路循环泵（即主泵）、稳压罐（即稳压器）、蒸汽发生器 以及相应的管道等组成。原子核反应堆内产生的核能，使堆芯发热温度升高，高温 高压的冷却水在主循环泵驱动下，流进反应堆堆芯，将堆芯中 的热量带至蒸汽发生器。蒸汽发生器再把热量传递给二回路循
4、 环系统中的给水，使给水加热变成高压蒸汽，放热后的冷却水 又重新流回堆芯。这样不断地循环往复，构成一个密闭的循环 回路。一回路循环系统的压力由稳压罐进行调节。现代大功率 压水堆核电站的一回路系统一般有 $.# 条并联的密闭环路， 每条环路由一台主循环泵和一台蒸汽发生器与相应管道连接 而成。为了确保安全，将整个一回路循环系统的主要设备集中 安装在一座立式圆柱状球形顶盖密封建筑物（通常称为核电站 安全壳）里，它是采用预应力混凝土内衬钢板的大型建筑结构， 能承受一定压力，可以防止放射性物质穿透和向外扩散。二回路循环系统由汽轮机、发电机、冷凝器、二回路循环泵 等设备组成。二回路中蒸汽发生器的给水吸收了
5、一回路传来的 热量变成高压蒸汽，然后推动汽轮机，带动发电机发电。作功后 的废气在冷凝器内冷却而凝结成水，再由给水泵送入加热器加 热后重新返回蒸汽发生器，再变成高压蒸汽推动汽轮发电机作 功发电，这样构成了第二个密闭循环回路。二回路系统设备均 安装在汽轮发电机组厂房内，一回路和二回路通过主蒸汽管道链式裂变反应自然界的物质均由分子组成，而分子由原子组成，原子又由电子、中子、质子等基本粒子组成。原子核内的质子之间存在 着巨大的电磁斥力，但它们并不相互排斥，这是由于它们之间 还存在着另一种比电磁斥力约强 !& 倍的吸引力核力的 缘故，这种使核子凝聚在一起的能量称为结合能。用中子去轰 击铀-$* 原子核时
6、，可使铀原子核破裂成 $ 个新的原子核，并 放出 $.* 个新的中子。而新中子再去轰击周围的铀$* 原子 核，会产生新一裂变和新的中子，这样，铀$* 原子核在极短 时间内发生了链式裂变反应，蕴藏在铀原子核内的巨大能量就 释放出来。! 千克铀-$* 全部裂变，释放出的能量相当于 $,& 吨优质煤完全燃烧时所放出的能量。质量能量关系式#爱因斯坦提出的相对论认为，质量和能量可以相互转化，质量消失，会产生能量。原子核质量亏损所释放出来的结合能， 可以由爱因斯坦提出的质量能量关系式计算得出。/012$式中：/释放能量（尔格）；! 栏 目 编 辑肖 朝 晖大众用电 #!% & /#$核电站主要堆型!增殖堆
7、中得到利用。而且，使那些在目前不能开采的低品位铀图 多种多样反应堆! 栏 目 编 辑肖 朝 晖/电 气 时 空 23,45674 879,:与蒸汽发生器连接。 能量约 )*).,- 大得多）引发裂变，不但每个铀#$& 原子核裂 核电站的二回路系统和普通火电站的动力回路相似，蒸汽 变后放出的次级中子多，而且快中子的损失少。因此，这些快发生器和一回路系统相当于火电站的锅炉。由于反应堆一回 中子在引发裂变后，还有较多的剩余，可用来使不易裂变的 路系统往往带有一定剂量的放射性，因此，从反应堆出来的冷 铀/#$ 变成易裂变的优质燃料钚/#$，从而使核燃料越烧越 却剂一般不宜直接送入汽轮机，否则将会使常规
8、机组操作维 多。压水堆是消耗核燃料铀/#$& 生产了电能；而快中子增殖堆 修复杂，所以核电站一般比火电站要多一套动力回路。 既生产了电能，又生产了核燃料钚/#$。此外，核电站还设有为了维持核电站正常运行和防止事故 由于快中子增殖堆使作 为 天 然 铀 主 要 成 分 的 铀#$的辅助系统厂房、电站循环水泵房、输配电厂房以及放射性废 变成钚#$ 加以利用，因而快中子增殖堆中铀的利用率比 物储存和处理等厂房。 目前压水堆中铀的利用率高 !%) 倍。那些在压水堆中不能利 用的浓缩铀的尾料，以及压水堆卸出的核燃料，都能在快中子核电反应堆是一种特殊锅炉，也有人称它为原子反应炉。 矿，也有经济开采的价值，
9、可以充分满足人类几百年内对能源 现代的反应堆，从外面看是一个立式球形顶的圆柱体或球形 的需求。美国等 !) 国确定的新能源发展计划中，快中子增殖 建筑物，这就是所谓核岛。至于发电部分（也称为常规岛），核电 堆是重点发展的堆型。除现行的钠冷快中子增殖堆外，还在发 厂与炎电厂都用蒸汽膨胀做功，推动蒸汽轮机旋转，带动发电 展气冷快中子增殖堆、铅冷快中子增殖堆等。机发电。核电站与火电站主要的不同是蒸汽供给系统。火电站 核电站的堆型按照用途来分，可分为动力堆、生产堆、研 依靠燃烧化石燃料释放的化学能制造蒸汽，核电站是依靠核 究堆、特殊用途堆等；按照冷却剂和慢化剂来分，又可分为轻 燃料裂变反应释放核能来制
10、造蒸汽。 水堆、重水堆、石墨气冷堆、石墨水冷堆、高温气冷堆、快中子核电堆型种类很多，但技术比较成熟且投入商业营运的， 增殖堆等（见图 #） 主要有以下几种堆型。（!）压水堆：是一种首先应用于舰船的核动力堆，以水为冷 却剂和中子慢化剂，结构紧凑，经济性好，安全性也较好，除了 有几道安全屏障外，还有一系列纵深防护措施。从安全心理出 发，这恐怕是许多国家选用压水堆的重要因素，目前是全世界 核电站的主力堆型。我国大陆已建及在建的 ! 台核电机组中 就有 台是压水堆核电机组。（#）沸水堆：是在压水堆的基础上，经过简化派生出来的。它通过降低压力，使水在堆芯沸腾后直接生成蒸汽，经过汽水 分离，直接用于推动汽
11、轮机发电。虽然沸水堆只有一个回路，系 统结构比较简单，设备制造难度也较低，但其蒸汽带有放射性， 汽轮机及主蒸汽管道都必须有相应的防护措施。（$）重水堆：使用重水（即重氢和氧形成的水）作冷却剂和中子慢化剂，可直接采用天然铀或略浓缩的金属铀作燃料，不 在目前，核电站中以压水堆、沸水堆所占的比例最大，分别 需要大型制造设备，但这种反应堆体积大，且重水价格昂贵。我 占 ()0和 #)0，重水堆约占 !)0，其它堆占 !)0。国大陆已建和在建的 ! 台核电机组有 # 台是从加拿大引进的 除上述核裂反应堆这外，目前全世界正在投入大量的人重水堆核电机组。 力、物力研制核聚变反应堆。当 # 个轻原子核结合成一
12、个较重（%）气冷堆：采用气体（二氧化碳、氦气等）作冷却剂，曾一 的原子核时，也会释放能量。我们称这种结合为聚变，释放出的 度是英国与法国的主要堆型，由于气体传热能力较差，有一些 能量称为聚变能。在人工控制下的聚变为受控聚变，在受控聚 难题尚待解决，其发展受到一定的限制。目前正在开发的高温 变的情况下释放能量的装置，称为聚变反应堆。聚变能是一种 气冷堆，热效率高，安全性好，有可能得到发展。 更加安全、清洁、经济的能源，且有可能实现能量直接转换，具（&）压力管式石墨沸水堆：该电站是采用的压力管式石墨 有极高的热效率。不仅轻原子核聚变时，每 ! 千克聚变燃料释 沸水堆，这种堆型设备制造简单，可不停堆
13、装卸料；但回路系统 放的能量多，更重要的是，地球上聚变燃料的储量比裂变燃料 复杂，安装维修困难，特别是压力管是单层的，又没有压力壳， 储量丰富得多。氘、氚聚变所释放的能量，是同等质量铀/#$& 因而反应堆一旦损坏，放射性物质就直接而且大量地泄漏到 裂变所释放能量的 % 倍。而且，海洋中有取之不尽的氘，海水中 环境中去了。!( 年 % 月 #( 日，前苏联切尔诺贝利核电站发 氘含量为 $% 毫克 1 升，地球上总含氘量多达 %) 万亿吨，可供人 生严重事故之后，这种堆型的发展计划已被取消。 类用 &) 亿年以上。氚可用锂（锂/(）来生产，自然界中锂也很（(）快中子增殖堆：快中子增殖堆没有慢化剂，使用快中子丰富，所以聚变能发电是更理想的能源。国际核聚变专家们乐（中子平均能量约 )*&+,- 以上，比热中子反应堆内电子平均 观估计，本世纪下半叶可以实现聚变反应堆商业发电。大众用电 #$ % &!