能源科学导论第四章新能源

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1、第四部分 新能源v第一节 核能v第二节 太阳能v第三节 风能v第四节 地热能v第五节 海洋能v第六节 生物质能v第七节 氢能一 核能的来源 v核能俗称原子能，它是指原子核里的核子（ 中子或质子）重新分配和组合时释放出来的 能量。v“核能”来源于将核子(质子和中子)保持在 原子核中的一种非常强的作用力核力。 v核力和人们熟知的电磁力以及万有引力完全 不同，它是一种非常强大的短程作用力。第一节 核 能v当中子和质子形成原子核时，会放出能量 ，这种能量称为该原子核的结合能。 v结合能的大小可以通过爱因斯坦的质能关 系式求得：E=mc2式中 E结合能，J；m质量亏损，kg；c光速，m/s；v不同原子核

2、俘获中子后得到的结合能不同 。爱因斯坦的质能关系式v核能的实际利用有两种方法：v一是目前已达到实用阶段的重核裂变方 法，这就是核裂变反应堆的原理；v二是目前还处于研究试验阶段的轻核聚 变方法，这就是核聚变反应的原理 。核裂变v用中子轰击铀235（质量数为235的铀），铀 核会分裂成大小相差不很大的两部分，这种 现象叫做裂变。（如下图）v发生裂变时有核能释放出来，这时裂变后的 产物以很大速度向相反方向飞开，与周围的 物体分子碰撞，使分子动能增加，转化为周 围物体的内能。v用中子轰击铀该，铀核才能发生裂变，放出 能量。这好比用火柴点燃木材，木材才能燃 烧，放出能量一样，假如外界的中子停止轰 击，裂

3、变也就停止，然而实验表明，铀核裂 变时，还同时放出23个中子，放出的中子 又可以轰击其他铀该，使它们也发生裂变， 这样，裂变将不断地自行继续下去。这种现 象则做链式反应。 v如果对裂变的链式反应不 加控制，在极短的时间内 就会释放出巨大的核能， 发生猛烈爆炸，原子弹就 是根据这个原理制成的。 如果控制链式反应的速度 ，使核能缓慢地平稳地释 放出来，就使于和平利用 了。能够缓慢、平稳地释 放核能的装置，叫做核反 应堆.核裂变反应核裂变反应v裂变释放的核能十分巨大，1千克铀235中的 铀该如果全部发生裂变，释放出的能坚相当 于2500吨标准煤完全燃烧放出的能量。v一座100万千瓦的核电站，每年只需

4、2530吨 低浓度铀核燃料，而相同功率的煤电站，每 年则需要有300多万吨煤炭，这些核燃料只需 10辆卡车就能运到现场，而运输300多万吨原 煤，则需要1000列火车。核聚变v较轻的核结合成较重的核，也能释放能量， 这种现象则做聚变。例如一个氘核（质量数 为2的氢核）和一个氚核（质量数为3的氢核 ）结合时，就释放出核能。 v核聚变反应释放的能量更可贵。有人作过生 动的比喻：1公斤煤只能使一列火车开动8米 ，1公斤铀可使一列火车开动4万公里；而1公 斤氚化锂和氘化锂的混合物，可使一列火车 从地球开到月球，行程40万公里。v氢弹就是利用轻核聚变制成的，氢弹是一种 比原子弹威力更为巨大的核武器。核聚

5、变反应二 核燃料v核裂变的核燃料v核聚变的核燃料核裂变的燃料v核裂变的核燃料主要是铀。天然铀通常 由3种同位素构成：铀-238，约占铀总量 的99.3%；铀-235，占铀的总量不到0.7 ；还有极少量的铀-234。v与一般的矿物燃料相比，核燃料有两个 突出的不同特点：（1）是生产过程复杂，要经过采矿、 加工、提炼、转化、浓缩、燃料元件制 造等多道工序才能制成可供反应堆使用 的核燃料；（2）是还要进行“后处理”。 临时贮藏回收废物处理最终储存产生能量采矿转化浓缩核燃料 制作核燃料的循环v铀的浓缩方法：（1）气体扩散法； （2）激光分离法。 核燃料的循环v指对核燃料的反复利用。v循环可分为三步：

6、（1）前处理过程：从铀矿开采直至制成核反应堆的燃 料元件。 （2）使用过程:一部分核燃料残留下来需要后处理还有一部分铀-238转化成钚-239、钚-241等新燃料 。 （3）后处理过程：回收未燃尽的铀-235和新生的钚- 239核聚变的核燃料v最容易实现核裂变反应的是原子核中最轻的核，例 如氢、氘、氚、锂等。v其中最容易实现的热核反应是氘和氚聚合成氦的反 应。 v作为核燃料之一的氘，地球上的储量特别丰富，每 升海水中即含氘0.034 g，地球上有151014亿吨海 水，故海水中的氘含量即达450亿吨，因此几乎是取 之不尽的。 三 世界核能利用的现状 v截至1999年，全世界有29个国家的433

7、座核电 站在运行。v目前全世界核电提供的电能占世界电力供应 的17%，为此每年可以减少23亿吨CO2的排放量 ，这意味着如果不使用核电，全世界CO2的排 放量将增加10%。 v地球上蕴藏着数量可观的铀、钍等核裂变资 源，如果把它们的裂变能弃分地利用起来， 可满足人类上千年的能源需求。v在汪洋大海里，蕴藏着二十万亿吨氘，它们 的聚变能可顶几万亿亿吨煤，可满足人类百 亿年的能源需求。v核能是人类最终解决能源问题的希望。核能 技术的开发，对现代社会会产生深远的影响 。v 澳大利亚的铀矿储量居世界第一位，而俄罗斯的 浓缩铀生产能力居于世界领先地位。v俄罗斯作为铀储量位居世界第九位的国家，俄罗斯 总统普

8、京与澳大利亚总理霍华德2007年9月7日在悉 尼签署了一项历史性的核原料贸易协议。根据这项 协议，澳大利亚出产的铀可以被俄罗斯的核电厂用 于民用事业，而这些铀也可以被俄罗斯的核能公司 再加工。v由于美国，俄罗斯等国正在大力建设核电站，因此 ，在2015年时天然铀很可能出现6000吨短缺，铀的 供给将持续紧张状态。世界上第一座核电站v1942年，在美国建成了世界上第一座“人工核反应 堆”，首次实现了人类历史上铀核的可控自持链式 裂变反应。核反应堆是使核能以可控方式释放的装 置。人们建造核裂变反应堆的目的有二：（1）把它 当作一个“中子源”，利用裂变产生的大量中子以 生产军用与民用同位素，或开展科

9、学研究及实验； （2）将它当作一个“热源”，利用核反应释放的热 量以供热、发电或提供动力。v1954年，苏联建成了世界上第一座核电站奥布 灵斯克核电站。从此，核电站便在世界各地蓬勃发 展起来。 v美国三里岛和前苏联切尔诺贝利核电站 事故引起公众对核的恐惧。在过去10年 中，核电变成了一个倍受争议的话题， 它已从世界发展最快的能源沦为发展最 慢的能源。美国三里岛核电站事故v1979年3月28日凌晨4时，美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站 第2组反应堆的操作室里，红灯闪亮，汽笛报警，涡轮机停 转，堆心压力和温度骤然升高， 2小时后，大量放射性物质 溢出。 6天以后，堆心温度才开始下降，蒸气泡消失 引起

10、氢爆炸的威胁免除了。100吨铀燃料虽然没有熔化，但 有60%的铀棒受到损坏，反应堆最终陷于瘫痪。 事故发生后，全美震惊，核电站附近的居民惊恐不 安，约20万人撤出这一地区。美国各大城市的群众和正在修 建核电站的地区的居民纷纷举行集会示威，要求停建或关闭 核电站。美国和西欧一些国家政府不得不重新检查发展核动 力计划。 切尔诺贝利核电站事故v 1986年4月26日，苏联的乌克兰共和国切尔诺贝利 核能发电厂发生严重泄漏及爆炸事故。事故导致31 人当场死亡，上万人由于放射性物质远期影响而致 命或重病，至今仍有被放射线影响而导致畸形胎儿 的出生。这是有史以来最严重的核事故。外泄的辐 射尘随著大气飘散到前

11、苏联的西部地区、东欧地区 、北欧。乌克兰、白俄罗斯、俄罗斯受污最为严重 ，由于风向的关系，据估计约有60%的放射性物质落 在白俄罗斯的土地。v此事故引起大众对于前苏联的核电厂安全性的关注 ，因事故而直接或间接死亡的人数难以估算，且事 故后的长期影响到目前为止仍是个未知数。v但是这种恐核心理导致的核电发展停滞， 已带来严重的负面影响，例如，1999年瑞 典核电占47%，因为关闭核电站，只能被 迫向丹麦燃煤电厂购电，不但电费上涨， 而且导致西欧CO2的排放总量超标。由于电 力紧张，美国也中止了暂停建核电站的规 定，重新起动核电站建设计划。v与欧美发达国家相反，亚洲由于经济迅速崛 起，核电发展方兴未

12、艾，亚洲目前共有90座 核电站在运行，其中2/3集中在日本。韩国、 中国大陆和台湾地区、印度、巴基斯坦等仍 有许多座新核电站在建设之中。v由于先进堆型的开发，核电技术的不断完善 ，核安全程度越来越高，加上全球经济的迅 速发展，以及为了解决温室气体排放及酸雨 等环境问题，核电在未来20年又将有一个新 的发展，对发展中国家更是如此。反应堆的分类v按反应堆的用途分类：生产堆 、动力堆 、 试验堆 、供热堆。v按反应堆采用的冷却剂分类：水冷堆、气冷 堆、有机介质堆、液态金属冷却堆。反应堆v定义：大规模可控核裂变链式反应的装置。v按反应堆采用的核燃料分类：天然铀堆、浓 缩铀堆、钚堆。v按反应堆采用的慢化

13、剂分类：石墨堆、轻水 堆、重水堆。v按核燃料的分布分类：均匀堆、非均匀堆。v按中子的能量分类：热中子堆、快中子堆。动力堆v动力堆主要有轻水堆、重水堆、气冷堆和快 中子增殖堆。 轻水堆v轻水堆是动力堆中最主要的堆型。在全世界 的核电站中轻水堆约占85.9%。普通水(轻水) 在反应堆中既作冷却剂又作慢化剂。轻水堆 又有两种堆型：沸水堆和压水堆。压水反应堆v高压轻水堆是目前核电站建设技术比较成熟的一个 堆型。它利用普通水做慢化剂兼载热剂。核燃料棒 是利用稍稍加浓到 24的低浓缩铀做成一根根铀 棒，再把每二、三百根这样的铀棒，按一定的物理 要求组成为一组组件。这样几十或者一百多组的组 件，组成结构极精

14、密的反应堆中的活性区，在活性 区下部通以二、三百个左右大气压的大流量普通水 ，高速地从组件中燃料棒间隙通过，带走裂变释放 的热能。为了确保在大功率高效率的条件下运行安 全，整个反应堆置于一个非常坚固的、特制的耐高 压大钢筒里，另外在钢筒外还设有安全保护的钢筋 混凝土和一系列耐高温高压的热力设备与电气设备 。压水堆结构示意图沸水反应堆重水堆v重水堆以重水作为冷却剂和慢化剂。由于重 水对中子的慢化性能好，吸收中子的几率小 ，因此重水堆可以采用天然铀作燃料。这对 天然铀资源丰富，又缺乏浓缩铀能力的国家 是一种非常有吸引力的堆型。v在核电站中，重水堆约占4.5%。重水堆中最 有代表性的加拿大坎杜堆 。

15、v用天然铀烧结成二氧化铀燃料芯块置入包壳 ，回路系统采用重水慢化，以加压重水作载 热体经过蒸汽发生器传出能量。v不仅可以直接使用天然铀作燃料，而且可使 天然铀的利用率比轻水堆提高15%以上，燃料 成本比轻水堆低1/2 ，还可实现不停堆换料 。即随时可以新燃料元件顶换已烧过的旧燃 料元件。v因此中水堆电站一般比轻水堆电站利用率高 10%以上。重水反应堆重水堆结构示意图我国首座商用重水堆核电站v秦山三期（重水堆）核电站。v装机容量为两台70万千瓦级核电机组，设计 寿命40年，设计容量因子85%，工程总投资 28.8亿美元。v工程于1998年6月8日开工建设，两台机组分 别于2002年12月31日和

16、2003年7月24日投入商 业运行，比合同规定的里程碑进度分别提前 43天和112天建成投产，创造了国际现有的33 座重水堆核电站建设周期最短的纪录。 气冷堆v气冷堆是以气体作冷却剂，石墨作慢化剂。气冷堆 经历了三代。 v第三代为高温气冷堆。采用高浓缩铀作燃料，并用 氦作为冷却剂。由于氦冷却效果好，燃料为弥散型 无包壳，堆芯石墨又能承受高温，所以堆芯气体出 口温度可高达800，故称之为高温气冷堆。v核电站的各种堆型中，气冷堆约占2%-3%。 v具体过程是：当反应堆内的核燃料进行核反 应时，放出中子，速度太快的中子经过石墨 碰撞便慢下来（因为在此堆里只有慢中子才 能与铀燃料发生有效反应），以维持核反应 。核反应时要释放出大量的热量，如果不把 热量带走，就会烧毁反应堆，所以用气体（ 氦）流经堆芯，把热量带到热交换器，再由 另一路冷却剂把氦气冷却，降温后的氦气又 回到堆芯继续冷却反应堆，形成闭式循环回 路 发电的高温气冷堆机构示意 图高温气冷堆v清华大学核研院v10兆瓦高温气冷实 验堆项目计划分两 个阶段进行v（1）“