核能利用与发展论文.doc

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1、核能利用与发展趋势学校：东北农业大学学院：工程学院班级：机化1302学号：姓名：核能利用与发展趋势Unclear energy utilization and development trend摘要 核电是一种清洁、安全、技术成熟、供应能力强、能大规模应用的发电方 式，目前，我国核电已由起步进入发展阶段， 具有自主设计建造第一代核电的能 力，我国已做出积极推进核电发展的重大决定， 加快我国核电建设， 提高核电在 电力供给中的比重， 这将有助于缓解电力增民与交通运输的矛盾， 核能利用的发 展前景将越来越广阔。关键词 核能利用 前景 核能发展 核电1. 核电概述核能的发展和利用是 20 世纪科技史

2、上最杰出的成就之一。它通过转化其质 量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特爱因斯坦的方程 E=mC,该方程式表明， 质量和能量是等价的， 其比例常数为光速的平方。 在核能的利用中， 核电厂的发 展是相当迅速的，己被公认为是一种经济、安全、可靠、干净的能源，核动力技 术在多数发达国家得到了巨大发展， 也在很多发展中国家获得了广泛的认可。 根 据能源需求和能源生产结构， 我国政府己制定了积极发展核电的方针， 建设了秦 山和大亚湾两大核电基地，中国核电建设的安全策略取得了成功。2. 核能发电核能是原子核结构发生变化是释放出来的能量。 目前人类利用核能主要有三 种重元素的原子核发生裂变和轻元素的原子核发生

3、聚合反映时释放出来的 核能或是原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程，它们分别为核裂变 能、核聚变能和核衰变。2.1 核裂变能核裂变，又称核分裂，是指由较重的原子，主要是指铀或钚，分裂成较轻的 （原子序数较小的） 原子的一种核反应形式。 原子弹以及裂变核电站的能量来源 都是核裂变。早期原子弹应用钚 -239 为原料制成。而铀 -235 裂变在核电厂最常 见。重核原子经中子撞击后，分裂成为两个较轻的原子，同时释放出数个中子。 释放出的中子再去撞击其它的重核原子， 从而形成链式反应而自发分裂。 原子核 裂变时除放出中子还会放出热，核电厂用以发电的能量即来源于此。由于每次核裂变释放出的中子数量大

4、于一个，因此若对链式反应不加以控 制，同时发生的核裂变数目将在极短时间内以几何级数形式增长。 若聚集在一起 的重核原子足够多， 将会瞬间释放大量的能量。 原子弹便应用了核裂变的这种特 性。制成原子弹所使用的重核含量，需要在 90%以上。核能发电应用中所使用的核燃料， 铀-235 的含量通常很低， 大约在 3%到 5%， 因此不会产生核爆。 但核电厂仍需要对反应炉中的中子数量加以控制， 以防止功 率过高造成炉心熔毁的事故。 通常会在反应炉的慢化剂中添加硼， 并使用控制棒 吸收燃料棒中的中子以控制核裂变速度。从镉以后的所有元素都能分裂。核裂变时， 大部分的分裂中子均是一分裂就立即释出， 称为瞬发中

5、子， 少部 分则在之后 （一至数十秒 ）才释出，称为延迟中子。2.1.1 核裂变能原理及过程核能发电的过程：核能水和水蒸气的内能发电机转子的机械能电能。 核裂变撞击时除放出中子还会放出热， 再加快撞击， 但如果温度太高， 反应炉会 熔掉，而演变成反应炉融毁造成严重灾害，因此通常会放控制棒（硼制成）去吸 收中子以降低分裂速度。 一个重原子核分裂成为两个 （或更多个） 中等质量碎片 的现象。按分裂的方式裂变可分为自发裂变和感生裂变。 自发裂变是没有外部作 用时的裂变， 类似于放射性衰变， 是重核不稳定性的一种表现； 感生裂变是在外 来粒子（最常见的是中子）轰击下产生的裂变。处于激发态的原子核（例如

6、，铀 -235 核吸收一个中子之后，就形成激发态 的铀 -236 核）发生形变时，一部分激发能转化为形变势能。随着原子核逐步拉 长，形变能将经历一个先增大后减小的过程。 这是因为有两种因素在起作用： 来 自核力的表面能是随形变而增大的； 来自质子之间静电斥力的库仑能却是随形变 的增大而减小的。 两种因素综合作用的结果形成一个裂变势垒， 原子核只有通过 势垒才能发生裂变。 势垒的顶点称为鞍点。 到达最终断开的剪裂点后， 两个初生 碎片受到相互的静电斥力作用， 向相反方向飞离。 静电库仑能转化成两碎片的动 能。初生碎片具有很大的形变， 它们很快收缩成球形， 碎片的形变能就转变成为 它们的内部激发能

7、。具有相当高激发能的碎片，以发射若干中子和丫射线的方 式退激，这就是裂变瞬发中子和瞬发 丫射线。退激到基态的碎片由于中子数（N）与质子数（Z）的比例（N/Z）偏大，均处于B稳定线的丰中子一侧，因此要经 历一系列的B衰变而变成稳定核（见远离 B稳定线的核素）。这就是裂变碎片 的B衰变链。在B衰变过程中，有些核又可能发出中子，这此中子称为缓发中 子。以上就是一个激发核裂变的全过程。2.2核聚变能由两个或两个以上氢原子核（如氢的同位素一氘和氚）结合成一个较重的原 子核，同时发生质量亏损释放出巨大能量的反应叫做核聚变反应， 其释放出的能 量称为核聚变能。核聚变反应堆是一种满足核聚变条件从而利用其能量的

8、装置。从目前看实现核聚变有2种方法，一种是使用托卡马克装置实现，托卡马克是一 环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氛、氖实现聚变的环境和超高温，实现对 聚变反应的控制；另一种方式是通过高能激光的方式实现。第一种方式已于20世纪90年代初实现，目前正在进行工程设计；第二种方式已接近突破的边缘。由 于核聚变是在极高的温度下完成的，所以又常称其为热核反应。2.2.1核聚变原理及过程物质在低温状态下是固态，随着温度的升高会出现液态、气态，气态的物质8被继续加热会出现等离子状态，即在几万10 C以上时，气体将全部发生电离，变成带正电的离子和带负电的自由电子。 这种等离子体被约束在托卡马克装置的 环形室腔体

9、内不与腔壁接触，加热电流继续在这一环形室中流动， 与电流方向一Q致的强大外磁场保证了等离子体的稳定。当等离子体被加热到10 c以上，满足14_3>10 （式中n为氛氖等离子体密度，cm ; £为等离子体维持的时间，s）时,就会发生轻原子核转为重原子核的核聚变反应234'H，2H -),1个氛和1个氛聚变为1个氦核、放出1个中子（能量为14 MeV）,伴随着这一反应放出17.6 MeV 的巨大能量。现在人类实现可控核聚变所使用的轻核只有氛与氖。 在托卡马克装 置上，当放出的能量大于输人的能量、并足以加热下一次添加的氖氖并继续聚变 反应时，这种条件称为可控核聚变的“点火”条

10、件。实现核聚变的“点火”有三 大难题要解决，一是如何把等离子体加热到108 C以上;二是如何使等离子体不与装它的容器相碰，否则等离子体要降温，容器要烧毁 ；三是防止杂质混人等离子 体，因杂质会增加辐射而使等离子体冷却。聚变反应堆主要的部件包括高温聚变等离子体堆芯、 包层、屏蔽层、 磁体和 辅助系统等。2.3 核衰变能核衰变是原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程。 认识原子核的重 要途径之一。1896年法国科学家A.H.贝可勒尔研究含铀矿物质的荧光现象时， 偶然发现铀盐能放射出穿透力很强可使照相底片感光的不可见射线， 这就是衰变 产生的射线。 除了天然存在的放射性核素以外， 还存在大量人工

11、制造的其他放射 性核素。放射性的类型除了放射 a、B、丫粒子以外，还有放射正电子、质子、 中子、中微子等粒子以及自发裂变、B缓发粒子等等。2.3.1 常见的放射性核衰变类型科学研究表明，稳定性核素对核子总数有一定限度（一般为 A< 209）,而且 中子数和质子数应保持一定的比例（一般为 N/Z=11.5 ,也有个别例外）。任何 含有过多核子或N/Z不适当的核素，都是不稳定的。A>209的核素，即元素周 期表中钋（Po）之后的所有元素的核素都具有放射性（钋之前的元素，有的核素 也具有放射性），它们或是自发地放射出a射线（即He核），而转变成A较小的 新核；或是因核素的N/Z不适当，其

12、核内的中子与质子会自发地相互转变， 从而 改变N/Z的值，并同时放出一个B -（或B +）粒子。核素衰变后产生的新核几 乎都是处在激发态，这样的核或是自发地放射出丫光子而转变到基态或较低能态，或是继续进行a衰变（或B衰变），直到变成一个稳定的核素为止。放射性核衰变的类型有a衰变、B衰变和丫衰变三种，分别放出a射线、 B射线和丫射线。1 ） a 衰变放射性核素放射出 a 粒子后变成另一种核素。 子核的电荷数比母核减少 2， 质量数比母核减少4。a粒子的特点是电离能力强，射程短，穿透能力较弱。2） B衰变B衰变又分B-衰变、B+衰变和轨道电子俘获三种方式。 B -衰变放射出B -粒子(高速电子)的

13、衰变。一般地，中子相对丰富的放射性核素 常发生B-衰变。这可看作是母核中的一个中子转变成一个质子的过程。(2) B +衰变放射出B +粒子(正电子)的衰变。一般地，中子相对缺乏的放射性核素常 发生B+衰变。这可看作是母核中的一个质子转变成一个中子的过程。(3) 轨道电子俘获原子核俘获一个K层或L层电子而衰变成核电荷数减少1,质量数不变的另 一种原子核。由于K层最靠近核，所以K俘获最易发生。在K俘获发生时，必有 外层电子去填补内层上的空位，并放射出具有子体特征的标识 X射线。这一能量 也可能传递给更外层电子， 使它成为自由电子发射出去， 这个电子称作“俄歇电 子”。3) 丫衰变和内变换(1) 丫

14、衰变处于激发态的核，通过放射出 丫射线而跃迁到基态或较低能态的现象。 丫 射线的穿透力很强。丫射线在医学核物理技术等应用领域占有重要地位。(2) 内变换有时处于激发态的核可以不辐射 丫射线回到基态或较低能态，而是将能量 直接传给一个核外电子(主要是 K层电子)，使该电子电离出去。这种现象称为 内变换，所放出的电子称作内变换电子。3. 我国电力现状及发展趋势目前人类已耗用了的能源总量近 3 000 亿吨标准煤，自 1973年以来，从地 球开采的石油近 5 000 亿桶(约合 800亿吨) , 剩下的石油按现有生产水平计算， 还可保证开采 40 年。天然气也只能持续开采 50 年，石油、煤和天然气

15、资源都正 在快速地走向枯竭，并且化石能源的过度应用还导致了c°2等气体大量积累，形成了温室效应。因此寻找一种既能替代化石能源又不影响人类生存环境的能源是 各国多年来的努力目标。在新能源中，水能、太阳能、风能、地热能等虽然具备 一定的条件， 但这些能源不是储量太少就是属于间竭能源， 只有核电具备潜力巨 大、能大规模、全天候为人类长期提供所需能源的能力中国能源结构仍以煤炭为主体， 清洁优质能源的比重偏低。 中国目前建成和 在建的核电站总装机容量为 870 万千瓦，预计到 2010年中国核电装机容量约为 2000万千瓦， 2020年约为 4000万千瓦。到 2050年，根据不同部门的估算，

16、中 国核电装机容量可以分为高中低三种方案： 高方案为 3.6 亿千瓦（约占中国电力 总装机容量的 30%），中方案为 2.4 亿千瓦（约占中国电力总装机容量的 20%）， 低方案为 1.2 亿千瓦（约占中国电力总装机容量的 10%）。中国国家发展改革委员会正在制定中国核电发展民用工业规划，准备到 2020年中国电力总装机容量预计为 9 亿千瓦时，核电的比重将占电力总容量的 4%，即是中国核电在 2020 年时将为 3600-4000MW。从核电发展总趋势来看， 中国核电发展的技术路线和战略路线早已明确并正 在执行，当前发展压水堆， 中期发展快中子堆， 远期发展聚变堆。 具体地说就是， 近期发展

17、热中子反应堆核电站， 为了充分利用铀资源， 采用铀钚循环的技术路线， 中期发展快中子增殖反应堆核电站，远期发展聚变堆核电站，从而基本上“永 远”解决能源需求的矛盾。4. 结束语核能替代化石能源的前景及环保上的优越性是有目共睹的。 但近年来由于发 达国家经济的转型， 常规能源利用率的提高和人们对核事故的恐惧， 总体上发达 国家核电在下滑。迫于民众的压力，一些国家已表示不再发展核电，如意大利、 德国等。发展中国家出于从能源供应的可靠性和国家的安全考虑， 正在稳步地发 展核电。核聚变反应堆现在正进行国际合作，预测在 2025 年可建成示范性聚变 堆，真正的商业化将在 2040年后实现。 50年后，人

18、类将真正进入没有任何核污 染、燃料来源难以穷尽的核文明时代， 届时人类将再不用为能源和利用能源对环 境造成的危害担忧，生存条件会越来越好。石油、煤炭、天然气和和铀矿这些矿物能源储量面临枯竭。现在的青少年， 在他们老之将到时， 很可能就会目睹， 原野里那些曾经日夜劳作的抽油机在凄风 苦雨而中逝去。再过几代的人们，什么炼油厂、输油管道、燃煤电厂、,对于他们来说， 就会成为昨天的故事。 人类应该未雨绸缪， 不要待矿物能源用尽 之后再作反应。未来能源结构必定是多能互补， 各显其能的时代。 现阶段就应该加快提高新 能源和可再生能源在能源结构中的比例。 新能源和可再生能源由于污染少甚至无 污染，对环境保护

19、十分有利。 我们只有一个地球， 为了天更蓝、 地更绿、水更清， 大家多选用清洁的新能源吧！ 各级政府应再加大扶持力度， 行业组织再加大产业 政策和信息宣传，使新能源和可再生能源利用不断跃上新台阶。积极培育市场、 规范市场、激励市场。 积极利用全球环境基金、世界银行、亚行贷款和国际援 助，加强技术交流，学习国外先进经验，促进新能源和可再生能源发展。 新能 源和可再生能源产业庞大，稳步增长，前途无限，存在令人鼓舞的商业机会，愿 更多的金融投资者和企业家关注新能源行业。加强行业科学技术知识普及宣传， 使全社会尤其青少年，认识新能源，了解新能源，使用新能源。参考文献（1） 孙宪文 , 姜军, 朱松. 核裂变与核聚变发电综述 J. 辽宁：东北电力技术， 2002（ 2） 熊本和 . 世界核电的现状与未来 J. 国防科技工业， 2001（3） 倪士英.核能利用及其对环境的影响 J. 能源工程， 1995（ 4） 陈世君 . 世界核电现状及其发展趋势 J. 东方电气评论， 2001（5） 朱青，等 . 关于我国核电发展趋势的构想 J. 江西：东华理工大学， 2011