核能发电的工作原理

2018-03-05 10:59 次阅读

  核能是一种高度密集的优质能源,但要让核能释放出来作为发电,不是一件容易的事。1942年12月2 日,科学家费米和同事们在美国芝加哥大学,实现了世界上第一次受控自持链式反应,这个反应进行了28分钟,虽然它的功率小(最高只达到200瓦),但是它的意义是十分巨大的;1951年,美国建成了世界上第一个核能发电装置;1954年6月,前苏联建成世界上第一座0.5万千瓦核电站

  2003年统计数据显示,全世界运行的核电机组数为440台,占世界总发电能力的16%。在建核电机组数为31台。世界核发电量所占比例已从1973年的3%上升到现在的17.3%。预计到2020年,核电在能源结构中应占有22%的比例。美国是世界上核电站最多的国家,拥有全世界四分之一的核电反应堆。立陶宛和法国是世界上核电比例最高的国家,核发电量占该国总发电量的75%以上。2003年,中国大陆全年发电量中2.2%来自于核电。

  核能发电的工作原理

  核能发电的工作原理

  将原子核裂变(或聚变)所释放的核能转变为电能的系统和设备通常称为核电站。原子核反应堆类型不同,核电站的系统和设备也有所不同。下面以压水反应堆(核电站的主力堆型)为例,介绍核电站的工作原理。压水堆核电站主要由原子核反应堆、一回路系统、二回路系统及其它辅助系统和设备组成。其流程原理示意如下图所示。

  核能发电的工作原理

  一回路系统是将裂变能转化为水蒸气的热能装置。它由反应堆、一回路循环泵(即主泵)、稳压罐(即稳压器)、蒸汽发生器以及相应的管道等组成。原子核反应堆内产生的核能,使堆芯发热温度升高,高温高压的冷却水在主循环泵驱动下,流进反应堆堆芯,将堆芯中的热量带至蒸汽发生器。蒸汽发生器再把热量传递给二回路循环系统中的给水,使给水加热变成高压蒸汽,放热后的冷却水又重新流回堆芯。这样不断地循环往复,构成一个密闭的循环回路。

  一回路循环系统的压力由稳压罐进行调节。现代大功率压水堆核电站的一回路系统一般有2-4条并联的密闭环路,每条环路由一台主循环泵和一台蒸汽发生器与相应管道连接而成。为了确保安全,将整个一回路循环系统的主要设备集中安装在一座立式圆柱状球形顶盖密封建筑物(通常称为核电站安全壳)里,它是采用预应力混凝土内衬钢板的大型建筑结构,能承受一定压力,可以防止放射性物质穿透和向外扩散。

  二回路循环系统由汽轮机、发电机、冷凝器、二回路循环泵等设备组成。二回路中蒸汽发生器的给水吸收了一回路传来的热量变成高压蒸汽,然后推动汽轮机,带动发电机发电。作功后的废气在冷凝器内冷却而凝结成水,再由给水泵送入加热器加热后重新返回蒸汽发生器,再变成高压蒸汽推动汽轮发电机作功发电,这样构成了第二个密闭循环回路。二回路系统设备均安装在汽轮发电机组厂房内,一回路和二回路通过主蒸汽管道与蒸汽发生器连接。

  核电站的二回路系统和普通火电站的动力回路相似,蒸汽发生器和一回路系统相当于火电站的锅炉。由于反应堆一回路系统往往带有一定剂量的放射性,因此,从反应堆出来的冷却剂一般不宜直接送入汽轮机,否则将会使常规机组操作维修复杂,所以核电站一般比火电站要多一套动力回路。此外,核电站还设有为了维持核电站正常运行和防止事故的辅助系统厂房、电站循环水泵房、输配电厂房以及放射性废物储存和处理等厂房。

  核能发电的优缺点

  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,故发电成本较其他发电方法为稳定。

  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。

  核能发电的工作原理

  核电站主要堆型

  核电反应堆是一种特殊锅炉,也有人称它为原子反应炉。现代的反应堆,从外面看是一个立式球形顶的圆柱体或球形建筑物,这就是所谓核岛。至于发电部分(也称为常规岛),核电厂与炎电厂都用蒸汽膨胀做功,推动蒸汽轮机旋转,带动发电机发电。核电站与火电站主要的不同是蒸汽供给系统。火电站依靠燃烧化石燃料释放的化学能制造蒸汽,核电站是依靠核燃料裂变反应释放核能来制造蒸汽。

  核电堆型种类很多,但技术比较成熟且投入商业营运的,主要有以下几种堆型。

  (1)压水堆:是一种首先应用于舰船的核动力堆,以水为冷却剂和中子慢化剂,结构紧凑,经济性好,安全性也较好,除了有几道安全屏障外,还有一系列纵深防护措施。从安全心理出发,这恐怕是许多国家选用压水堆的重要因素,目前是全世界核电站的主力堆型。我国大陆已建及在建的11台核电机组中就9台是压水堆核电机组。

  第三代先进压水堆技术以欧洲的AREVA公司的EPR和美国WESTINGHOUSE公司的AP1000技术为首,这两大公司也把持着世界核电行业的头二把交椅。

  核能发电的工作原理

  核能发电的工作原理

  领导讲话——环境保护部副部长、核安全局局长李干杰

  (2)沸水堆:是在压水堆的基础上,经过简化派生出来的。它通过降低压力,使水在堆芯沸腾后直接生成蒸汽,经过汽水分离,直接用于推动汽轮机发电。虽然沸水堆只有一个回路,系统结构比较简单,设备制造难度也较低,但其蒸汽带有放射性,汽轮机及主蒸汽管道都必须有相应的防护措施。

  沸水堆主要是GE和HITACHI在做,中国还没引进,鬼子用的较多

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  (3)重水堆:使用重水(即重氢和氧形成的水)作冷却剂和中子慢化剂,可直接采用天然铀或略浓缩的金属铀作燃料,不需要大型制造设备,但这种反应堆体积大,且重水价格昂贵。我国大陆已建和在建的11台核电机组有2台是从加拿大引进的重水堆核电机组。

  重水堆也就是加拿大原子能公司的CANDU堆

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  (4)气冷堆:采用气体(二氧化碳、氦气等)作冷却剂,曾一度是英国与法国的主要堆型,由于气体传热能力较差,有一些难题尚待解决,其发展受到一定的限制。目前正在开发的高温气冷堆,热效率高,安全性好,有可能得到发展。

  (5)压力管式石墨沸水堆:该电站是采用的压力管式石墨沸水堆,这种堆型设备制造简单,可不停堆装卸料;但回路系统复杂,安装维修困难,特别是压力管是单层的,又没有压力壳,因而反应堆一旦损坏,放射性物质就直接而且大量地泄漏到环境中去了。1986年4月26日,前苏联切尔诺贝利核电站发生严重事故之后,这种堆型的发展计划已被取消。

  (6)快中子增殖堆:快中子增殖堆没有慢化剂,使用快中子(中子平均能量约0.5Mev 以上,比热中子反应堆内电子平均能量约0.07Mev大得多)引发裂变,不但每个铀—235原子核裂变后放出的次级中子多,而且快中子的损失少。因此,这些快中子在引发裂变后,还有较多的剩余,可用来使不易裂变的铀-238变成易裂变的优质燃料钚-239,从而使核燃料越烧越多。压水堆是消耗核燃料铀-235生产了电能;而快中子增殖堆既生产了电能,又生产了核燃料钚-239。

  由于快中子增殖堆使作为天然铀主要成分的铀——238变成钚——239加以利用,因而快中子增殖堆中铀的利用率比目前压水堆中铀的利用率高140倍。那些在压水堆中不能利用的浓缩铀的尾料,以及压水堆卸出的核燃料,都能在快中子增殖堆中得到利用。而且,使那些在目前不能开采的低品位铀矿,也有经济开采的价值,可以充分满足人类几百年内对能源的需求。美国等!) 国确定的新能源发展计划中,快中子增殖堆是重点发展的堆型。除现行的钠冷快中子增殖堆外,还在发展气冷快中子增殖堆、铅冷快中子增殖堆等。

  核电站的堆型按照用途来分,可分为动力堆、生产堆、研究堆、特殊用途堆等;按照冷却剂和慢化剂来分,又可分为轻水堆、重水堆、石墨气冷堆、石墨水冷堆、高温气冷堆、快中子增殖堆等(见图2)

  核能发电的工作原理

  在目前,核电站中以压水堆、沸水堆所占的比例最大,分别占60%和20%,重水堆约占10%,其它堆占10%。

  除上述核裂反应堆这外,目前全世界正在投入大量的人力、物力研制核聚变反应堆。当2个轻原子核结合成一个较重的原子核时,也会释放能量。我们称这种结合为聚变,释放出的能量称为聚变能。在人工控制下的聚变为受控聚变,在受控聚变的情况下释放能量的装置,称为聚变反应堆。聚变能是一种更加安全、清洁、经济的能源,且有可能实现能量直接转换,具有极高的热效率。不仅轻原子核聚变时,每1千克聚变燃料释放的能量多,更重要的是,地球上聚变燃料的储量比裂变燃料储量丰富得多。氘、氚聚变所释放的能量,是同等质量铀-235裂变所释放能量的4倍。而且,海洋中有取之不尽的氘,海水中氘含量为34毫克/升,地球上总含氘量多达40万亿吨,可供人类用50亿年以上。氚可用锂(锂-6)来生产,自然界中锂也很丰富,所以聚变能发电是更理想的能源。国际核聚变专家们乐观估计,本世纪下半叶可以实现聚变反应堆商业发电。

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