案例61核反应堆.pdf

案例 6-1 核反应堆 三门中学 何赛君 一、教学设计思路 对于核反应堆学生会有许多疑惑，特别是反应堆的结构和工作原理对学生来说简直就是一个谜。对于这个谜底的破解，一方面要发挥教师的主导作用，提供学生搜寻信息的资讯，适当的讲解；另一方面要利用设计探究的策略，充分利用学生的好奇心，以问题驱动的方式，循着设计的途径去探明核反应堆的结构和原理。二、前期分析 本课题是浙江省首批推荐使用的网络视频选修课程魔法城探秘-有关核电发展的安全与环境问题的专题活动的第八讲，学生对于核反应堆的感情很复杂，既向往又恐惧，但更多的是疑惑和好奇。实际的反应堆虽然结构原理非常复杂，但从教学的角度可以仿照回旋加速器的教学，采用设计探究的策略，从简单到复杂，在设计的过程中再呈现成熟压水堆的工作原理图，进一步理解反应堆的工作原理，最后通过压水堆和沸水堆的结构和原理比较，理解为什么我国在建的核电站都采用压水堆的理由。重点与难点：1 教学重点（1）知道全球现有反应堆的类型和分类标准（2）设计探究反应堆工作原理（3）能说出压水堆的工作原理和优势 2 教学难点 设计探究反应堆工作原理 三、教学目标 1 知识与技能（1）知道现有反应堆都是采用核裂变来释放核能，能写出典型核裂变的方程式（2）能说出现有主要反应堆的名称和分类标准（3）知道压水堆的主要工作原理（4）比较压水堆与沸水堆的主要优缺点 2 过程与方法 经历反应堆的设计探究过程 3 情感态度与价值观 客观认识反应堆，克服恐惧心理 四、教学准备 图 6-1-1（恩里科费米Enrico Fermi 1901 年1954 年，美籍意大利裔 物理学家，1938年诺贝尔物理学奖获得者）MeVnKrBanU2003108936144561023592图6-1-2 铀核裂变示图 6-1-3 链式反应示意图 1前置性作业（上网查询：了解美国物理学家费米）2.PPT 3 4-6 人一个学习小组，全班分成8 个小组 五、教学过程 活动1看图片讲故事 播放PPT 展示图片，要求学生仔细观察图片，看后要求学生以小组形式为单位讨论协作把图片展示的内容贯穿在一起编一个故事，题目自拟，组间交流后，推选一组在全班交流。（活动1 设计的目的一是为了激发学生对核反应堆的探究欲望，二是为设计探究核反应堆的结构原理创设情境）图 6-1-4 世界上第一座核反应堆 图 6-1-5 秦山核电站 图 6-1-6 大亚湾核电站 图6-1-7 美国三厘岛核电 背 景 文 字：1942 年 12 月 2 日，费米 在 芝 加 哥 大 学体育场的壁球馆试验成 功 领 导 制 造 世界上第一座核反应堆（Nuclear Reactor），首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。活动2设计探究核反应堆结构原理 引导问题1：以上四幅核电站的图片有无共同点？（通过问题把学生的注意力引导到红色画圈的核反应堆建筑物上，引出课题：核反应堆）猜测：根据反应堆的功能猜测反应堆要具备哪些主要结构？图 6-1-8 日本福岛核电站（学生会根据费米的第一座反应堆的结构去大胆猜测）1 第一座反应堆铀是做成铀块的，铀块是否要有一定的大小？理由：反应堆要释放核能必须要能发生链式反应，链式反应的关键是要有第1 个中子击中铀235，引出临界体积的概念。解释：天然铀235 的浓度只有0.7%左右，所以先将铀235 浓缩至3%左右的铀材料，再密封在锆合金管中作为核反应的燃料棒，数百根燃料棒组成燃料组件（如图6-1-9），燃料组件是反应堆的粮食。2 第一座反应堆除了铀块，还有石墨块，这是做什么用的？（根据2 的猜测引出慢化剂的概念）解释：铀 235 能吸收慢中子，而从原子核裂变中出来的是快中子，所以先要把中子慢化，石墨就是最常见的慢化剂。另外轻水、重水都是常见的慢化剂。如 压水堆就是将燃料棒浸泡在 15Mpa 高压水中慢化剂,利用水使快中子的速度降下来，变成能被铀-235 吸收的慢中子(如图6-1-10)。3 第一座反应堆除了铀块、石墨块，还有镉棒，这是做什么用的？（根据3 的猜测引出控制棒的概念）解释：根据链式反应的原理，不加控制的反应堆反应会越来越剧烈，反应堆的功率会越来越大，所以要控制反应堆的功率，使核能有序释放，必须有能有效吸收中子的控制装置，通常做法是用吸收中子能力强的镉或硼做成控制棒。插进反应堆的铀棒组件中，利用控制棒插入组件的深度来控制反应速度。从而达到控制功率的目的。第一座反应堆就是利用石墨作为铀-235 裂变的慢化剂，将容有铀-235 的石墨砖块与纯石墨砖块按照一定比例一层层堆积，中间加入几根镉棒作为吸收中子的控制棒它的确就是一个“堆”，叫反应堆。总结：要人为控制链式反应，并利用核裂变链式反应释放出来的核能，科学家们对U23592裂变图 6-1-9 燃料组件 图 6-1-10 燃料棒浸泡在水中 图 6-1-12 压水堆结构图 图6-1-11 压水堆堆进行深入研究，发现释放的中子是高速运动的，被称为快中子。而天然铀是由0.7%的U23592和99.3%的U23892组成，其中U23892对快中子的吸收能力强于U23592，U23892吸收快中子后并不会发生裂变而是生成铀同位素U23992。这样由于U23892对快中子的吸收而使得大部分中子不能碰撞到U23592，从而减缓链式反应的进行。因此若要促进链式反应的发生有两种途径：一方面是提高铀块中U23592的浓度，从而增加U23592吸收中子发生裂变的几率，提高U23592的浓度在核工业中称为是铀的浓缩，U23592含量达到90%的材料称为浓缩铀；另一方面是想办法降低中子的速度，使其更有利于被U23592吸收，从而增加裂变反应的几率。核物理学中把容易被U23592吸收的速度较慢的中子称为慢中子（热中子）。能够减慢中子速度的材料称为慢化剂，石墨和水都是常用的慢化剂。若同时有大量U23592浓度较高的铀材料和慢化剂，则铀-235 的裂变链式反应就会不断的进行，这个时侯如果反应过于剧烈，可以通过添加吸收中子的材料对链式反应进行控制，硼、镉等元素制成的材料能有效吸收中子。所以控制棒的材料通常是硼、镉。因此压水堆的堆芯包含了燃料棒、控制棒，中子慢化剂及其他装置。（如图6-1-11）引导问题2：那么现代的反应堆怎么样把释放的核能转化为电能呢？（根据火力发电站的原理，不难想到要用蒸汽推动汽轮机再带动发电机发电，转化为电能。所以反应堆还应有水的循环系统，把核反应的能量带出来。在学生充分讨论发表看法后提供压水堆的原理图，理解就有了心理和认知的双重基础。）活动3：理解压水堆的工作原理 （让学生对着结构图（如图6-1-12）说出压水堆的工作原理，教师适当给以帮助。）压水堆工作原理简介：压水堆有三个回路，水在三个回路中循环，首先可以看到第一回路中水通过主泵在反应堆、蒸汽发生器间循环，在反应堆中吸收了热量，再通过主泵送到蒸汽发生器，形成第一个循环。其中在反应堆中的水作为吸收剂，把反应堆生成的热量带走，同时水又是慢化剂，让中子速度慢下来，在反应堆中浸泡燃料棒的水为15MPa。15MPa 高大气压的水需要装载稳压器，这样的水压强大、沸点高达几千摄氏度，也就是说在一回路中的水不会变成气态，会在液态形式下不断循环。在二回路的水蒸气发生器中吸收了一回路中水带来的热量变成蒸汽，然后蒸气通过管道输送到汽轮机中，利用蒸气推动汽轮机带动发电机发电，发过电后的蒸气经过凝气室，在凝气室中热量进一步被三回路中的水带走，然后液化成液态，再通过给水泵，抽送到蒸汽发生器，这样水在二回路中构成循环，它把最初由核反应堆释放出的热量转化成蒸汽推动汽轮机进行发电，也就是说，这一部分的水是处于液态和气态的混合态，但是这一部分的水是没有介入核反应堆的，它跟一回路的水在蒸气发生器中发生了热交换，但是水并没有流入核反应堆中，也就是说这一部分水几乎没有辐射，因此在压水堆中的汽轮机基本上是不带辐射污染的。三回路是直接跟外界比如大海或大型的湖泊相通，这一部分水从海洋中被循环泵抽起来输送到凝汽室中跟二回路中的水不接触但是能够发生热交换，再送回大海。三回路的水与一回路、二回路的水都没有直接接触，因此这部分水没有放射性污染是非常安全的，能够排放到自然界中，但会有一点热量输送给了大海或湖泊，会使附近海域或水域温度上升一点。引导问题4：除了压水堆，还有哪些常见反应堆的堆型？（引出反应堆的分类）解释：反应堆的类型繁多，有不同的分类标准，如果按中子能量进行分类，可以分成快中子堆（FWR）、中能中子堆和热中子堆；如果按反应堆中使用的冷却剂或慢化剂进行分类，可以分成轻水堆、重水堆、石墨堆、有机堆、气冷堆、液态金属冷却堆；如果按照堆芯结构进行分类，可以分成均匀堆和非均匀堆；如果按用途进行分类，可以分成生产堆、发电堆、动力堆、实验堆和增殖堆。在核电工业中更多地是按照冷却剂或慢化剂来进行分类。轻水堆、重水堆、石墨堆是工业上成熟的主要发电堆。轻水反应堆是目前技术最成熟、应用最广泛的堆型。其优点是：体积小、结构和运行都比较简单、功率密度高、单堆功率大、造价也低廉、建造周期短和安全可靠。目前，全球正在运行的以及在建的核反应堆中，大部分是轻水反应堆，占所有反应堆的 85%以上。轻水堆又分压水堆和沸水堆，目前我国大陆建设开发的除秦山三期外全是压水堆。活动4：比较压水堆与沸水堆的优劣 引导问题5：沸水堆的工作原理是怎样的，它与压水堆比较有什么不好？展示沸水堆的结构原理图（如图6-1-13）（让学生 对 着 结 构图说出沸 水 堆 的 工作原理，教 师 适 当 给以帮助）工作原理：沸水堆有两个回路。一回路比压水堆少了一个装置-稳压器。沸水堆中水的压强没有那么高，与压水堆不同，沸水堆利用沸水作为慢化剂和冷却剂。大约7Mpa 的高压水吸收核裂变释放出的热量后，在堆芯上部汽化成水蒸气，这一部分水变成蒸汽通过管道输送到汽轮机上再带动发电机发电。发过电后的蒸汽再在凝汽室中凝结成水，通过水泵运送回到沸水堆的堆芯，再进行下一循环。蒸汽机跟反应堆的水直接接触有核辐射，出现故障检修就比较麻烦，必须有专门的核辐射防护装备，才能检修和维修。二回路从大海抽水输送到凝汽室中，在凝汽室中把热量从水蒸气中吸收过来，让一回路中的水由蒸汽变成液态，起到吸收热量的作用，再由水泵送回大海。在这种堆型中释放出的水与反应堆虽然没有直接接触，但只相隔了一个回路，由于堆芯上方产生水蒸气所以吸收中子的控制棒位于堆芯下方。压水堆与沸水堆比较:和沸水反应堆相比，压水堆堆芯体积更小，堆芯的功率密度较大（大型压水堆的堆芯功率密度可达100 千瓦/升），压水堆的发电效率约为33%；但由于堆芯中的工作压力和温度都较沸水堆高，因此对反应堆材料性能的要求也较沸水堆更高，成本比沸水堆要高得多。压水堆有三个回路，汽轮机处于二回路中，与堆芯中有放射性的核燃料没有接触，因此不带辐射，方便检修与维护，从安全的角度来说更加安全。事实证明同样核事故，采用压水堆设计的美国三厘岛核事故几乎对当地环境没有影响，但采用沸水堆设计的日本福岛核电站对附近环境产生了较大影响。总体来说：1压水堆有三个独立的水循环，汽轮机与冷却用海水与堆芯不接触-更安全 图6-1-13 沸水堆结构2压水堆控制棒位于燃料棒上方，出事故时会自动落下，阻断链式反应-更安全 3压水堆由于压力高，且多了蒸汽发生器、稳压器等设备，技术性能要求及造价都要高许多。-更贵 可见，相比较沸水堆，压水堆成本高,安全性高。目前我国在建的核电站全为压水堆。六、形成性评价 1试描述链式反应的情景 2试说出核反应堆的主要部件 3试简要叙述压水堆三个回路的工作原理 七、课后作业布置 1请上网查询我国在建和已经建好的发电站的反应堆类型？2试列举2 种以上反应堆的名称，说出它们技术上的主要优势和主要缺陷。3至少提出你想了解的关于核反应堆的两个问题？八、教学过程流程图 开 始 图 片 恩里克-费米、铀核裂变示意图 小组活动1：把图片的内容以故事的形式表述 活动2 探究核反应堆结构原理 铀块作用 图 片 四座核电站 石墨作用 镉棒作用 总 结 活动3:现代核反应堆怎样把释放的核能转化为电能 图 片 压水堆结构图 介绍压水堆工作原理 介绍反应堆的类型 图 片 世界上第一座核反应堆