核能发电原理.pdf

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1、核能发电原理浅谈 摘要：核能是现在一直在研究的新能源，本文主要谈论核能以及核能用来发电的原理，了解核能发电站的发电原理和优缺点。关键词：核能、铀、核裂变、核电站 能源是现代社会赖以生存和发展的基础,传统的燃料如煤炭、石油等能源正在一天天减少,对环境造成的危害也日益突出,清洁燃料的供给能力密切关系着国民经济的可持续性发展。这个时候,全世界都把目光投向了可再生能源,人们在开源和节流上积极行动,提出了节约型社会理念,同时开始开发新能源,希望可再生能源能够改变人类的能源结构,维持长远的可持续发展。而对于可再生能源而言，现今的就是风能，潮汐能、太阳能、核能等。风能、潮汐能运用不广，太阳能还不能高效率的转

2、化为可用能源，因此人们都把视线集中在了核能上面。核能在世界上资源储量丰富、清洁、高效,是一种可以大规模使用的安全的、经济的工业能源。以核电站为代表的动力核能的开发和利用就成为关注的热点。核电站提供了世界上大约 17%的电能。一些国家或地区对核电的依赖要比其他发电方式更高。例如，根据国际原子能机构提供的数据，在法国，大约 75%的电是由核电站生产的。在美国，核电站共提供了大约 15%的电能，但各州利用核电的情况并不统一。全世界共有超过 400座核电站，而其中有超过 100座在美国。核能又称原子能，顾名思义是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合爱因斯坦的方程 E=mc2，其中 E=能量，m=质量

3、，c=光速常量。核能通过三种核反应之一释放：1、核裂变，打开原子核的结合力。2、核聚变，原子的粒子熔合在一起。3、核衰变，自然的慢得多的裂变形式。核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。铀是地球上一种相当普通的元素，在地球形成时就存在于这个行星中了。铀原本

4、是在恒星中形成的。年老的恒星爆炸，其尘埃聚集起来形成了地球。铀-238(U-238)有一个非常长的半衰期（大于 45 亿年），因此现在它们仍然大量存在。铀-238占地球上所有铀的 99%，铀-235 约占 0.7%。铀-234是由铀-238衰变形成的，它更加稀少。（铀-238经过很多阶段的阿尔法和贝塔衰变才能转变为稳定的铅同位素，而铀-234是这条反应链上的一环。）铀-235有一个奇特的特性让它既可以用于核能发电也可以用于制造核弹。铀-235和铀-238一样都是通过辐射阿尔法射线的方式衰变。铀-235同时也在一小部分时间中进行着自发裂变。然而，铀-235是少数能够发生诱发裂变的物质之一。如果一

5、个自由中子撞击铀-235的原子核，它的原子核将会立即吸收这个中子而变得不稳定，并马上分解。核裂变 一旦原子核捕捉到中子，它马上分解为两个轻一些的原子，同时释放出两个或三个新的中子（中子的个数取决于铀-235原子分解的方式）。两个新的原子释放出伽马射线并稳定到新的状态。铀-235原子捕捉一个正在穿过的中子的概率非常高。在正常工作的核反应堆中（称为临界状态），每次裂变释放出的中子都会导致另一次裂变的发生。捕捉中子并发生分解的过程非常迅速，单位为皮秒（即 1x10-12秒）。当单个原子分解时，会有巨大的能量通过热和伽马辐射的形式释放出来。裂变生成的两个原子也能够释放贝塔和伽马射线。单个裂变反应之所以

6、能释放出能量，是因为裂变产物和中子加在一起的质量比原来的铀-235原子的质量要小。方程 E=mc2决定了质量差异转化为能量的比率。单位约为 200MeV（百万电子伏特）的能量被铀-235原子通过衰变释放出来（下面的公式将这些量转化为我们常见的单位，1eV=1.602x10-12尔格，1x107尔格=1 焦耳，1 焦耳=1 瓦秒，而 1BTU（热量单位）=1055焦耳）。这些可能看上去不是很多，但是一斤铀中有大量的铀原子。事实上，一斤高浓铀被用于为核潜艇或者核动力航母提供能量，这约等于 380万升汽油能提供的能量。如果考虑到一斤铀的尺寸比一个棒球还小，而 380万升的汽油却能够装满边长为 15

7、米（有五层楼高）的立方体，您就能对铀-235 所蕴含的能量有个概念了。为使铀-235的这些特性得到发挥，铀样品必须得到浓缩，这样它就含有 2-3%或者更高浓度的铀-235。3%的浓度足够用于核电站。核电站内部 建造一个核反应堆需要浓度低一些的铀。通常，铀被制作成直径相当于 10 美分硬币左右，长度为 2.5厘米左右的燃料元件。燃料元件被安装到长燃料棒中，燃料棒被进一步组装成燃料组件。燃料组件通常被浸泡在压力容器中。容器中的水起冷却作用。为使反应堆工作，浸泡在水中的燃料组件必须处于稍微超临界的状态。这意味着，如果没有其他设备，铀最终将会过热并熔化。为防止这种情况出现，由吸收中子的材料制成的控制棒

8、通过升降装置插入到燃料组件中。操作员通过升降控制棒来控制核反应的程度。当操作员希望铀堆芯产生更多的热量时，可将控制棒从铀燃料组件中升起。要使热量减少，则降低控制棒以插入到铀燃料组件中。在发生事故或者更换燃料时，控制棒还能被完全插入铀燃料组件中以关闭核反应堆。铀燃料组件是一个能够产生极高能量的热源。它对水进行加热并将其转化为蒸汽。蒸汽推动蒸汽轮机，而汽轮机则带动发电机来发电。在某些反应堆中，反应堆产生的蒸汽通过二级中介热交换装置将另一个回路的水加热为蒸汽来转动汽轮机。这种设计的好处是放射性的水或者水蒸汽不会接触到汽轮机。同样，在某些反应堆中，与反应堆堆芯接触的冷却流体是气体（如二氧化碳）或者液态

9、金属（如钠或钾），这种类型的反应堆允许堆芯在更高的温度下工作。如果除去核反应堆，核电站和火电站除了生成蒸汽的热源不同外差异很少。反应堆的压力容器通常被放置在一个用作辐射防护的混凝土衬里内。这个衬里被安装在一个更大的钢制密闭容器中。这个容器中有反应堆堆芯以及供工作人员维护反应堆的硬件设施（吊车等）。该容器的作用是防止放射性气体或液体泄漏。最后，这个密闭容器被外部的混凝土建筑保护，它的强度能够承受喷气式飞机的撞击。这些二级密闭结构对防范如在三里岛事故中那样的辐射或放射性蒸汽的泄漏是必要的。前苏联的核电站中由于没有二级密闭结构，最终导致了切尔诺贝利核电站事故。铀-235并不是核电站中唯一可用的燃料。

10、核电站的另一种燃料是钚-239。钚-239 可以使用中子轰击铀-238得到这就是核反应堆中时时刻刻发生着的事。核能发电优点 1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。3.核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座 1000百万瓦的核能电厂一年只需 30 公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。5.核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较

11、其他发电方法为稳定。核能发电缺点 1.核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。2.核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。3.核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。4.核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。5.兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。6.核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。此外铀的开采和提纯也并不是非常清洁的过程。非正常运行的核电站能够带来大问题。切尔诺贝利核电站的设计不良并且运作不当

12、，这场灾难展示了核电站可能发生的最糟糕的情况。切尔诺贝利核电站向大气中泄漏了成吨的放射性尘埃。切尔诺贝利核泄漏事件直接致死 56 人，近 60 万人受到大剂量的核辐射，估计有 4000 人会死于核辐射导致的癌症。之后美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站的 2 号反应堆出现故障，反应堆容器失水，高温导致 100 吨铀燃料棒中的 45%受到损坏。抢修人员向反应堆容器大量注水，用了 6 天时间才将反应堆降低到正常水平，最终避免了反应堆爆炸。尽管发生了燃料棒高温熔解，但由于受到辐射的冷却水及其它放射性物质都被控制在核电站的安全壳内，所以这次事故并没有造成严重的核泄漏。而最近发生的日本福岛核电站由于地震原因发生泄漏和爆炸事件，由于处理及时，只有轻微泄漏，没有造成非常大的损失。核电站的乏燃料在几百年内都是有毒的，并且到目前为止，世界上没有能安全、永久地存储它们的设施。核能发电对于现在的我们来说是重要的能量来源，但它又是如此的危险，发生轻微泄漏就能导致周围环境百年寸草不生。因此我们在利用核能的同时，安全也是重中之重，核电站的安全措施是一个核电站建成使用的前提。