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1、1核能发电的前景分析李 富清华大学核研院2014年11月17日华电集团“科技每月一讲”活动华电集团“科技每月一讲”活动2报告提纲n1 核能发展简史n2 核能的特点n3 核能的发展方向n4 核能的安全性举例n5 核能的前景23前言n李富：博士，研究员，副总工n联系方式：010-62783838, n教育背景：反应堆工程n工作经历：反应堆物理设计，数字化仪表控制系统，堆 内功率分布测量系统，高温堆总体设计n代表中国参加第四代国际论坛(主要是VHTR)的交流 工作n知识体系：中子通量如何变化(物理设计)，从变化的通 量能得出新的信息(分布重构，仪控系统)，如何优化通 量分布(反应堆设计)，如何优化反
2、应堆(总体设计)n主要以高温堆为例说明对核能的理解41 核能发展简史n核裂变能放出大量的能量：n中子轰击原子，裂变：裂变碎片+中子+能量n每裂变释放约200MeVn裂变放出的中子，可继续引起裂变，形成 持续的链式反应n反应可自持n反应需要控制n原子弹是爆发式n核电站是可控持续式351 核能发展简史n核裂变n裂变释放能量n聚变也能释放能量n核能发电n裂变能(聚变能)-热能(水，钠，气)-蒸汽 或氦气等高温高压工质-汽轮机-发电机n核的非发电应用n制氢，煤气化液化，石油炼制，化工厂，稠 油热采，海水淡化，供暖，61 核能发展简史n核能的特点n能放出巨大的能量n具有不可控释放能量的潜在危害n如Che
3、rnobyl事故n现在核电站设计可避免n产生大量的不稳定的放射性裂变产物n要包容大量的放射性n核电站设计的重要任务之一n裂变产物长期衰变发热，可能导致堆芯熔化n核电站设计的重要任务之一471 核能发展简史n主要堆型n压水堆(PWR,VVER)n沸水堆(BWR)n重水堆(CANDU)n石墨慢化压力管式反应堆(RMBK,如Chernobyl)n气冷堆(GCR)，高温气冷堆(HTGR)n钠冷快堆(SFR)n铅冷快堆(LFR)n熔盐堆(MSR)n水载热气载热液铅载热熔盐载热液钠载热81 核能简史n首次发现核裂变n1939年n第一个反应堆临界n1942年Fermi堆，芝加哥n第一颗原子弹爆炸n1945年
4、n第一个发电的反应堆nX-10，1948年nEBR-I，1951年591 核能发展简史n第一个发电的反应堆：nEBR-1，现位于INLn钠冷快堆，1.5MWtn活性区约1个足球大n1949年建设，1951年 12月20日首次发电， 1963年关闭n现在钠冷快堆技术还 处于成熟过程中9101 核能发展简史n第一个发电的反应堆： 另一说法nORNL的石墨生产堆，代号X-10n建设花了11个月，于1943年11 月3日开始装铀，11月4日5点临 界。运行20年后退役n世界上最老的反应堆，是芝加 哥堆之后的世界第二个人工反 应堆，是第一个被设计成连续 运行的反应堆，生产钚，及医 用同位素n1948.9
5、.3，实现由核能发出电力6111 核能发展简史n第一个压水堆原型电站：nShipping port, 60MWen位于Pennsylvanian1954年建设，1957年 运行，1974关闭n1977-82：钍燃料n现在的压水堆并没有脱 离其基本概念和组成12/78压水堆核电站示意图713/78主管道 过渡段蒸发器主泵稳压器压力容器主管道 冷段主管道 热段二代压水堆核岛主体结构压水堆PWR14PWRVVER8压水堆PWRn很多先进压水堆设计方案nAP1000，CAP1400nEPRnVVERn15161 核能发展简史n第一个实验性沸水堆EBWR，n1956年实现20MWt，1962年实现100
6、MWt，1967年 关闭n第一个沸水堆商业电站：n200MWe，位于伊利诺伊州的德雷斯顿n1959-1978n现在沸水堆改变了多少？9沸水堆核电站示意图沸水堆BWR18沸水堆燃料组件10沸水堆BWRn也有很多先进设计方案nABWRnSWRnESBWRn191 核能发展简史重水堆：重水堆： 不依赖浓缩铀，只能采用重水慢化，或石墨慢化不依赖浓缩铀，只能采用重水慢化，或石墨慢化 加拿大加拿大1962年建成年建成22MW NPD试验堆；试验堆；1967年建成年建成 206MW Douglas point 原型堆，现已发展到原型堆，现已发展到700 900MW规模商业和电厂。规模商业和电厂。 瑞典、英国
7、、法国、德国、瑞士、捷克、阿根廷、日瑞典、英国、法国、德国、瑞士、捷克、阿根廷、日 本、印度都研究过重水堆本、印度都研究过重水堆 只有只有CANDU (CANadian Deuterium Uranium)加拿加拿 大重水铀反应堆一花独秀大重水铀反应堆一花独秀 可使用天然铀可使用天然铀 电站：除加拿大外电站：除加拿大外(22)，韩国月城，韩国月城(4)，阿根廷，阿根廷(1)，罗，罗 马尼亚马尼亚(2), 中国中国(2)，印度，印度( 2),巴基斯坦巴基斯坦(1) 发展先进发展先进 CANDUACR 微浓缩铀微浓缩铀轻轻水水冷却冷却 2011CANDU21221 核能发展简史n第一个高温堆理念：
8、n概念和专利提出：1944年n第一个气冷堆：1956年50MWe的Galder Halln第一个改进型气冷堆：1964年32MWe的Windscalen第一个高温气冷堆：1964年的Dragon实验堆n第一个高温堆示范电站：76年的330MWe的FSV， 1985年的THTRn高温堆起步并不晚n基本技术至今变化并不大n石墨慢化，氦气冷却，包覆颗粒燃料，高温输出n蒸汽参数高，发电系统更像火电站n主要进步：固有安全概念和实现12DANIELSPEBBLE PILEof 194415 m23蒸汽循环的高温堆概念蒸汽循环的高温堆概念Graphite blocksWater cooled Cadmium
9、 rods in graphite tubeGraphite pebblesUrianium pebblesThC blocksBlowerSteam generatorcontinuous/discontinuous dischargeHe 100 C2000 CH2OSteam to turbineGraphite blocksWater cooled Cadmium rods in graphite tubeGraphite pebblesUrianium pebblesThC blocksPebble dischargeHeTurbineCompr.Gen.CoolerH2OHe200
10、0 C100 CElectrostatic traps for fission products (and for Pu239!)1944: Daniels HTR-pebble pile for post war application RANKINE CYCLE: = 83 %24氦气透平循环的高温堆概念氦气透平循环的高温堆概念1325Calder Hall nuclear power station in England was the first in the world to produce electricity in commercial quantities.Calder Ha
11、ll Nuclear Power Station 1956nThe first Magnox power station, Calder Hall, was connected to the national electricity grid, on 27 August 1956.Magnox ReactorCO2冷却 石墨慢化，金属天然铀 Magnox合金包壳1427A 30MWe prototype advanced gas-cooled reactor came into service in 1963 and operated about 19 yearsThe Protype AGR
12、 at Windscale 1963AGR Schematic28CO2冷却 石墨慢化，微富集氧化铀 不锈钢包壳（提高温度） 一体化布置1529原理很简单吧高温气冷堆：棱柱堆和球床堆KernelCoated particleFuel element30球形和棱柱TRISO包覆颗粒燃料包覆颗粒 的 三重包覆16311 核能发展简史n现在的反应堆与原型堆有多少差异？n各种反应堆概念很早就被提出了n包括现在还在研究第四代核能系统n改进主要体现在安全性提高、可靠性提高n先进性和成熟性很多时候是矛盾的！n不成熟，不先进n太成熟，也不够先进n现在的反应堆还需要多少改进？！n改进方向：第四代核能系统？322
13、 核能的特点n核能只是一种发电方式n核能仅提供一种热能n可以发电n可以做热应用n核能是一种特殊的能源形式n效率高：发电效率，资金效率n复杂：高科技n存在潜在风险：核安全n国内很长时间在讨论核电是属核还是属电n核能的特殊性，还是发电的通用性17332 核能的特点n核裂变能放出很大的能量n1次裂变放出能量约200MeVn1 g铀235中的铀核完全裂变时释放出的核能相当 于2.5 t标准煤完全燃烧释放出的能量。n一个百万千万核电站每年需要燃料仅几十个 组件，几辆汽车运输就可以n1个高温堆燃料球(7g铀)实际能发出功率：n90GWd/t*7g=630kWd=15120kWh (热) n 6000度电
14、(按40%发电效率) n 3000元的价值342 核能的特点n中国需要核能n世界平均核电占总发电量16%n很多都是内陆电站n中国现在核电仅占总发电量的2%左右n今后要达到世界平均水平，需要建几百个机组n中国化石能源资源紧缺，进口压力很大n中国环境污染压力很大n为什么不用核能？中国必须要发展核能18世界核电站分布图欧洲核电站分布图19北美洲核电站分布图亚洲核电站分布图20392 核能的特点n核能是一个复杂的系统工程n正常发电的系统与火电差别不大n轻水堆核电站参数低一些，汽轮机体积大一些n要求稳定运行，设备质量高一些n更高要求是确保核安全n要应对所有可能的设备故障、内部事件、外部事 件n即使核反应
15、停止了，还有衰变余热需要载出，否 则堆芯会融化，放射性可能放出来n即使设备坏了，还要要求载出余热，包容放射性， 因此要求高402 核能的特点n核能是一个逐步完善的过程n原型堆：一代；正在运行的：二代；正在建 造的(更安全的)：三代；正在研究的：四代21412 核能的特点n核能可能产生巨大的灾害n历史上重大核事故：n1979年美国三哩岛核事故n1986年苏联Chernobyl核事故n2011年日本福岛核事故n因此，保证核能的安全性是发展的前提条件三哩岛：堆芯熔化n堆芯失去冷却，熔化4222三哩岛事故q1979年3月28日，美国三哩岛核电站2号机组发 生美国商用堆核电站历史上最严重的事故。q由于设
16、备故障及人员误操作，使堆芯冷却条件 严重恶化，造成2/3堆芯融化或破坏。q50气体裂变产物从燃料中释放出来进入安 全壳。碘、銫溶解于水中，氪、氙留在安全壳 的空气中。q又因人员误操作，裂变产物经通风系统和烟 囱进入大气，但量很少，居民无超剂量。三哩岛事故q三名职工受到略高于年限值剂量的个人 剂量。q事故对公众未造成任何辐射伤害，对环 境的影响微不足道。q事故后的撤离活动引起公众心理恐慌。q反应堆退役和废物清理经济损失巨大。q事故对核工业的发展影响深远。23切尔诺贝利：反应堆爆炸n功率失控增长45切尔诺贝利事故q1986年4月26日，切尔诺贝利核电站4号机组（ RBMK-1000）发生核电历史上最严重的事故。管 理混乱，违章操作，堆设计缺欠为主要原因。qRBMK为石墨慢化、轻水冷却压力管式沸水反应 堆。优点：没有压力容器和整汽发生器，可连 续换料，中子平衡良好。缺点：低功率时综合 反应性为有正值，堆控制复杂。q事故在安全试验过程中发生。由功率瞬变引发 瞬发临界造成功率剧增引起堆芯
