核能的开发与应用

1、核能的开发与应用核能的开发与应用参考文献刘琳主编 ,新能源,东北大学出版社 一一核能的开发核能的开发1 核能的定义及特点核能是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯持爱因斯坦的方程；其中 E 为能量，m 为质量，c 为光速。2mcE核能的释放主要有三种形式。(1)核裂变能所谓核裂变能，是通过一些里原子核的裂变释放出的能量。(2)核聚变能由两个或两个以上氢原子核(如氢的同位素氘和氚)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。(3)核衰变核衰变是一种自然的慢得多的裂变形式，因为其能量释放缓慢而难以加以利用。能量密度大和反应速率快是核能的两大特点。（1）.能量密度大。从下面核能与化学能的比较可以很清楚地看到它们之间的差距。表 31 核能与化学能的比较裂变1kg 铀-235 放出热量64006200000 千焦燃烧1kg 标准煤放出的热量29288 千焦燃烧1L 重油放出的热量41421.6 千焦燃烧1L 天然气放出的热量4.1 千焦(2). 同一质量下，核能比化学能大几百万倍。钠235 放出热量相当于燃烧约 2700 吨标准

2、煤核能反应速率快。从原子弹的爆炸可以领教核能的反应速度。大家都知道，原子弹爆炸会产生蘑菇云，那是为什么呢?就是因为核能在瞬间产生的巨大能量，急剧压缩其周围的空气形成压差，导致强烈气流流动形成的。2.核反应堆核反应堆指任何含有其核燃料按此种方式布置的结构，使得在无需补加中子的条件下，能在其中发生自持链式核裂变过程从更广泛的意义上讲，反应堆这一术语应覆盖裂变堆、聚变堆、裂变聚变混合堆，但一般情况下仅指裂变堆。（1）反应堆类型根据用途，核反应堆可以分为以下几种类型：将中子束用于实验或利用中子束的核反应，包括研究堆、材料实验等。生产放射性同位素的核反应堆。生产核裂变物质的核反应堆，称为生产堆。提供取暖、海水淡化、化工等用的热量的核反应堆，比如多目的准。为发电而发生热量的核反应，称为发电堆。用于推进船舶、飞机、火箭等的核反应堆，称为推进堆。另外，根据燃料类型，核反应堆分为天然气铀堆、浓缩铀堆、社堆；根据中子能量，分为快中子堆和热中子准；根据冷却剂(载热剂)材料，分为水冷堆、气冷堆、有机液冷堆、液态金属冷堆；根据慢化剂(减速剂)，分为石墨堆、重水准、压水准、沸水堆、有机堆、熔盐堆、铁堆；根据中子通

3、量，分为高通量堰和一般能量堆；根据热工状态，分为沸腾堆、非沸腾堆、压水堆；根据运行方式，分为脉冲堆和稳态堆等等。核反应堆概念上可以有 900 多种设计但现实上非常有限。（2）核反应堆用途核裂变时既释放出大量能量，又释放出大量中子。核反应堆有许多用途，但归结起来，一是利用裂变核能，二是利用裂变中子。核能主要用于发电，但它在其他方面也有广泛的应用。如核能供热、核动力等。核能供热是 20 世纪 80 年代才发展起来的一项新技术，这是一种经济、安全、清洁的热源因而在世界上受到广泛的重视。在能源结构上，用于低温(如供暖等)的热源，占总热耗量的一半左右，这部分热多由直接燃煤取得，因而给环境造成严重污染。在我国能源结构中，近 70的能量是以热能形式消耗的，而其中约 60是 120以下的低温热能，所以发展核反应堆低温供热，在缓解供应和运输紧张、净化环境、减少污染等方面，都具有十分重要的意义。核供热是一种前途远大的核能利用方式。核供热不仅可用于居民冬季采暖，也可用于工业供热。特别是高温气冷堆可以提供高温热源，能用于煤的气化、炼钢等耗热巨大的行业。核能既然可以用来供热，也一定可以用来制冷。清华大学在 5

4、兆瓦的低温供热堆上已经进行过成功的试验。核供热的另一潜在的大用途是海水淡化。在各种海水淡化方案中，采用核供热是经济性最好的一种。在中东、北非地区，由于缺乏淡水，海水淡化的需求是很大的。核能又是一种具有独特优越性的动力。因为它不需要空气助燃，可作为地下、水中和太空缺乏空气环境下的特殊动力；又由于它少耗料、高能量，因此是一种一次装料后可以长时间供能的特殊动力。例如 p 它可以作为火箭、宇宙飞船、人造卫星、潜艇、航空母舰等的特殊动力。将来核动力可能会用于星际航行。现在人类进行的太空探索还局限于太阳系，故飞行器所需能量不大，用太阳能电池就可以了。如果要到太阳系外其他星系探索，核动力恐怕是唯一的选择。美、俄等国家一直在从家核动力卫星的研究开发，旨在把发电能力达上百千瓦的发电设备装在卫星亡。由于有了大功率电源，将大大增强卫星在通讯、军事等方面的威力。1997 年 l0 月 15 日美国宇航局发射的“卡西尼”号核动力空间探测飞船飞往土星，踏上了历时 7 年，行程长达 35 亿千米漫长的旅途。核动力推进目前主要用于核潜艇、核航空母舰和核破冰船。核能的能量密度大，只需要少量核燃料就能运行很长时间这在军事

5、上具有很大的优越性。尤其是核裂变能的产生不需要氧气，故核潜艇可以在水下长时间航行。正为核动力推进有如此大的优越性，所以几十年来全世界已经制造的用于舰船推进的核反应堆数目已达数百座，超过了核电站中的反应堆数目(当然其功率远小于核电站反应堆）。现在，核航空母舰、核驱逐舰、核巡洋舰和核潜艇一起形成了一支强大的海上核力量。核反应堆的第二大用途就是利用链式裂变反应中放出的大量中子。这方面的用途是非常多的，我们这里仅举少量几个例子。大家知道，许多稳定的元素的原子核如果再吸收一个中子，就会变成一种放射性同位素。因此反应堆可以用来大量生产各种放射性同位累。放射性同性素在工业、农业、医学上的广泛用途现在几乎是尽人皆知的。还有，现在工业、医学和科研中经常需要使用一种带有极微小孔洞的薄膜来过、去除溶液中的极细小的杂质或细菌之类。在反应准中，用中子轰击薄膜材料，可以生成极微小的孔洞，达到上述技术要求。利用反应堆中的中子还可以生产优质半导体材料。在单晶硅中必须掺入少量其他材料如掺入磷元素，才能变成半导体。一般是采用扩散方法，在炉子里让磷蒸气通过硅片表面渗进去。但这样做的效果不是太理想，硅中磷的浓度不均匀，表面浓

6、度高、里面浓度变低。现在可以采用中子掺杂技术。把单晶硅放在反应堆里，受到中子辐照，硅俘获一个中子后，经过衰变后就变成磷。由于中子不带电，很容易进入硅片的内部，所以采用这种办法生产的硅半导体性质优良。利用反应堆产生的中子可以治疗癌症。因为许多癌组织对于硼元素有较多的吸收，而且硼又有很强的吸收中子的能力。硼被癌组织吸收后，经过中子照射，硼会变成锂，并放出。射线。射线可以有效地杀死癌细胞，治疗效果要比从外部用 Y 射线照射好很多。反应坟里的巾子还可以用于中于照相或者中子成像。中子易于被轻物质散射故中子照相用于检查轻物质(例如炸约、毒品等)特别有效；若用 x 光或超声成像，则检查不出来。（3）核燃料核燃料是可以在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料。重核的裂变相轻核的聚变是获得实用铀棒核能的两种主要方式。铀235、铀233 和怀239 是能发生核裂变的核燃料，又称裂变核燃料。其中铀235 存在于自然界，而铀233、坏239 则是钻232 和铀238 吸收中子后分别形成的人工核素。从广义上说，钍232 和铀238 也是核燃料。氘和氚是能发生核聚变的核燃料，又称聚变核燃料。氘存在于自然界

7、，氚是锂 6 吸收中于后形成的人工核素。核燃料在核反应准中“燃烧”时产生的能量远大于化石燃料，1千克铀235 完全裂变时产生的能量约相当于燃烧 2700 吨煤。已经大量建造的核反应准使用的是裂变核燃料铀235 和怀239，很少使用铀233。至今由于还没有建成使用聚变核燃料的反应堆，因此通常说到核燃料时，指的是裂变核燃料。由于核反应堆运行特性和安全上的要求核燃料在核反应堆中“照烧”不允许像化石燃料一样一次烧尽。为了回收和重新利用，必须进行后处理。核燃料后处理是一个复杂的化学分离纯化过程，曾经研究过各种湿法过程和干法过程。目前各国普遍使用的是以磷酸三丁酯为萃取剂的萃取法过程，即所谓的普雷克斯流程。核燃料后处理过程与一般的水法冶金过程之最大差别是它具有很强的放射性和存在发生核临界的危险。因此，必须将设备置于有厚的重混凝土防护墙的设备室中井实行远距离操作，以及采取防 1L 核临界的措施。所产生的各种放射性废物要严加管理和妥善处置，以确保环境安全。实行核燃料后处理，可以更充分、合理地使用已有的铀资源。二核能的应用二核能的应用1.高能核电站火力发电站利用煤和石油发电，水力发电站利用水力发电，而核电

8、站是利用原子核内部蕴藏的能量产生电能的新型发电站。核电站大体上可以分为两部分：一部分是利用核能生产蒸汽的核电站，包括反应准装置和一回路系统；另一部分是利用蒸汽发电的常规岛，包括汽轮发电机系统。核电站用的燃料是铀。铀是一种很重的金属。用铀制成的核燃料在一种叫做“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。这就是最普通的压水反应堆核电站的工作原理。在发达国家，核电已经有几十年的发展历史，核电已经成为一种成熟的能源。我国的核工业已经也有 40 多年的发展历史建立了从地质勘察、采矿到元件加工、后处理等相当完整的核燃料循环体系，已经建成多种类型的核反应堆，并有多年的安全管理和运行经验拥有一支专业齐全、技术过硬的队伍。核电站的建设和运行是一项复杂的技术。我国目前已经能够设计、建造和运行自己的核电站。秦山核电站就是由我国自己研究、设计和建造的。纵观核电的发展历史，核电站技术方案大致可以分为四代。第一代核电站。核电站的开发与建设开始于 20 世纪 50 年代。1954

9、年，苏联建成电功率为 5 兆瓦的实验性核电站；1957 年，美国建成电功率为 9 万千瓦的原型核电站，这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述实验性和原型核电机组称为第一代核电机组。第二代核电站。20 世纪 60 年代后期，在实验性和原型核电机组基础上，陆续建成电功率在 30 万干瓦的压水堆、沸水堆、重水泥、石墨水冷堆等核电机组，它们在进一步证明核能发电技术可行性的同时，使核电的经济性也得以证明。20 世纪 70 年代，因为石油涨价引发的能源危机促进了核电的大发展。目前世界上商业运行的四百多座核电机组绝大部分是在这段时期建成的，习惯上称之为第二代核电机组。第三代核电站。20 世纪 90 年代，为了解决三里岛和切尔诺贝利核电站的严重事故的负面影响，世界核电业界集中力量对严重事故的预防和缓解进行了研究与攻关，美国和欧洲先后出台了“先进轻水堆用户要求”即“URD”文件和“欧洲用户对轻水堆核电站的要求”即“EUR”文件。进一步明确了预防与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。国际上通常把满足 URD 文件或 EUR 文件的核电机组称为第三代核电机组。对第三代核电机组要求能在 2010 年前进行商用建造。第四代核电站。2000 年 1 月，在美国能源部的倡议下，美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷等 10 个有意发展核能的国家，联合组成了“第四代国际核能论坛”，于 2001 年 7 月签署了合约，约定共同合作研究开发第四代核能技术。根据设想，第四代核能方案的安全性和经济性将更加优越，废物量极少，无需厂外应急，并具备固有的防止核扩散的能力。第一代核电站为原型堆，其目的在于验证核电设计技术和商业开发前景；第二代核电站为技术成熟的商业堆，目前运行的核电站绝大部分属于第二代核电站；第三代核电站为符合 URD 或 EUR 要求的核电站其安全性和经济性均较第二代有所提高，属于未来发展的主要方向之一；第四代核电站强化了防止核扩散等方面的要求，目前处在原型堆技术研发阶段。2.核武器核武器是利用能自持进行核裂变或聚变反应释放的能量，产生爆炸作用，并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称。其中主要是利用铀235(u235)或环239(239P

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