核能发电的工作原理及流程_核能发电的工作原理

核能是一种高密度的优质能源，但释放核能发电并不容易。1942年12月2日，科学家费米及其同事在美国芝加哥大学实现了世界上第一次可控自持链式反应。这个反应持续了28分钟。虽然它的功率很小(最多200瓦)，但它的意义非常重大。1951年，美国建成世界上第一台核能发电装置；1954年6月，前苏联建成了世界上第一座5000千瓦核电站。

2003年的统计数据显示，世界上有440台核电机组在运行，占世界总发电能力的16%。在建核电机组31台。核电占世界的比重从1973年的3%上升到现在的17.3%。预计到2020年，核电应占能源结构的22%。美国拥有世界上最多的核电站，拥有世界上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，核电占全国总发电量的75%以上。2003年，中国大陆年发电量的2.2%来自核能。

核能发电的工作原理将核裂变(或聚变)释放的核能转化为电能的系统和设备通常称为核电站。不同类型的核反应堆有不同的系统和设备。下面以压水堆(核电站的主要堆型)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、二回路系统以及其他辅助系统和设备组成。流程原理如下图所示。

一回路系统是一个热能装置，将裂变能转化为水蒸气。它由反应器、一级循环泵(即主泵)、稳压罐(即稳压器)、蒸汽发生器和相应的管道组成。原子核反应堆中产生的核能提高了堆芯的加热温度，高温高压的冷却水在主循环泵的驱动下流入反应堆堆芯，将堆芯中的热量带到蒸汽发生器。然后蒸汽发生器将热量传递给二回路循环系统中的给水，使给水被加热成高压蒸汽，放热后的冷却水回流到堆芯。就这样，不断的来来回回，形成了一个封闭的循环回路。

主循环系统的压力由缓冲罐调节。现代大功率压水堆核电站的一回路系统一般有2-4个并联的闭合回路，每个回路由一个主循环泵和一个蒸汽发生器用相应的管道连接而成。为了保证安全，整个一回路系统的主要设备集中安装在一个立式圆柱球形顶盖密封建筑(通常称为核电站安全壳)内，这是一个大型建筑结构，有预应力混凝土内衬钢板，能承受一定的压力，防止放射性物质向外渗透扩散。

二次循环系统由汽轮机、发电机、冷凝器、二次循环泵等设备组成。二回路中蒸汽发生器的给水吸收一回路的热量，变成高压蒸汽，然后驱动汽轮机带动发电机发电。做功后的废气在冷凝器中冷却凝结成水，再由给水泵送入加热器，加热后返回蒸汽发生器，再变成高压蒸汽推动汽轮发电机做功发电，形成第二个闭合回路。二回路系统的设备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。

核电站二回路系统类似于普通火电厂的动力回路，蒸汽发生器和一回路系统相当于火电厂的锅炉。因为反应堆的一回路系统经常带有一定剂量的放射性，所以从反应堆出来的冷却剂不应该直接送到汽轮机，否则

1、核能发电不像化石燃料发电那样向大气中排放巨量的污染物，所以核能发电不会造成空气污染。

2、核能发电不会产生加剧全球温室效应的二氧化碳。

3、用于核能发电的铀燃料除了发电没有其他用途。

4、核燃料的能量密度比化石燃料高几百万倍，所以核电站使用的燃料体积小，便于运输和储存。一座1000兆瓦的核电站一年只需要30公吨的铀燃料，一次航程就可以用飞机运输。

5、在核能发电成本中，燃料成本所占比重较低，核能发电成本受国际经济形势影响较小，因此发电成本较其他发电方式更稳定。

缺点：

1、核电站会产生高低等级的放射性废物或用过的核燃料。虽然它占据的体积很小，但由于它的辐射性，必须小心处理，它将面临相当大的政治麻烦。

2、核电站的热效率低，所以比一般的化石燃料电厂向环境中排放更多的余热，所以核电站的热污染更严重。

3、核电站投资成本太高，电力公司财务风险大。

4、核电厂不适合高峰和非高峰负荷运行。

5、核电站的建设更容易导致政治分歧和争端。

当前位置核电站的反应堆里有大量的放射性物质。如果在事故中释放到外部环境中，会对生态和人造成危害。

核电站的主反应堆是一种特殊的锅炉，有人称之为原子反应堆。现代的反应堆，从外面看，是一个圆柱形或球形的建筑，有一个垂直的球形顶部，这就是所谓的核岛。至于发电部分(也称常规岛)，无论是核电站还是燕电厂，都是利用蒸汽膨胀做功，带动汽轮机旋转，带动发电机发电。核电站和火电厂的主要区别在于蒸汽供应系统。火力发电厂通过燃烧化石燃料释放的化学能产生蒸汽，而核电站通过核燃料裂变反应释放核能产生蒸汽。

核电反应堆的类型很多，但技术成熟并投入商业运行的主要有以下几种。

(1)压水堆(PWR)是最早应用于船舶的一种核动力反应堆，以水作为冷却剂和中子慢化剂。它结构紧凑，经济性好，安全性好。除了几道安全屏障，它还有一系列深度保护措施。从安全心理学的角度来看，这恐怕是很多国家选择压水堆的重要因素，压水堆是目前全世界核电站的主要反应堆类型。mainland China已建和在建的11个核电机组中，有9个是压水堆核电机组。

第三代先进压水堆技术以欧洲阿海珐公司的EPR和美国西屋公司的AP1000技术为主导。这两家公司还占据着世界核电行业的前两位。

领导致辞——李环境保护部副部长、核安全局局长

(2)沸水堆：由压水堆简化而来。通过降低压力，使水在堆芯沸腾后直接产生蒸汽，汽水分离后直接用于推动汽轮机发电。虽然沸水堆只有一个回路，系统结构相对简单，设备制造难度也较低，但其蒸汽具有放射性，汽轮机和主蒸汽管道必须有相应的防护措施。

沸水堆主要是GE和日立做的，没有从中国进口，日本人用的比较多。

(3)重水反应堆：重水(即重氢和氧形成的水)作为冷却剂和中子慢化剂，天然铀或略浓的金属铀可直接用作燃料，无需大型制造设备，但这种反应堆体积大，重水价格昂贵。在已建和在建的11座核电机组中

(5)压力管式石墨沸水堆：本电站采用压力管式石墨沸水堆，制造简单，可以不停机装卸物料；但回路系统复杂，安装维护困难，特别是压力管道是单层的，没有压力壳，所以一旦反应堆损坏，放射性物质会直接大量泄漏到环境中。1986年4月26日，前苏联切尔诺贝利核电站发生严重事故后，该型反应堆的研制计划被取消。

(6)快中子增殖堆：快中子增殖堆没有慢化剂，利用快中子引发裂变(中子的平均能量约为0.5Mev，远大于热中子堆中电子的平均能量)，不仅每个铀-235原子核裂变后释放出更多的次级中子，而且减少了快中子的损失。所以这些快中子引起裂变后，还有更多的剩余，可以用来把不易裂变的铀-238变成易裂变的钚-239，从而使核燃料越烧越多。压水堆消耗核燃料铀-235产生电能；快中子增殖反应堆不仅产生电能，还产生核燃料钚-239。

由于将天然铀的主要成分铀——238转变为钚3354239加以利用，快中子增殖堆中铀的利用率比目前的压水堆高140倍。不能用于压水堆的浓缩铀尾矿和压水堆排出的核燃料可用于快中子增殖堆。而且那些目前无法开采的低品位铀矿，具有经济开采的价值，完全可以满足人类几百年的能源需求。美国等！在中国确定的新能源发展规划中，快中子增殖堆是重点堆型。除了目前的钠冷快中子增殖堆，气冷快中子增殖堆和铅冷快中子增殖堆也在研制中。

核电站的反应堆类型按用途可分为动力堆、生产堆、研究堆和专用堆。按冷却剂和慢化剂可分为轻水堆、重水堆、石墨气冷堆、石墨水冷堆、高温气冷堆和快中子增殖堆(见图2)。

目前，压水堆和沸水堆在核电站中所占比例最大，分别占60%和20%，重水堆约占10%，其他堆占10%。

除了上述的核裂变反应堆，世界各地都在投入大量的人力物力进行核聚变反应堆的开发。当两个较轻的原子核结合形成一个较重的原子核时，能量也被释放出来。我们把这种结合叫做聚变，释放出来的能量叫做聚变能。人工控制下的聚变叫受控聚变，在受控聚变下释放能量的装置叫聚变堆。聚变能是一种更安全、更清洁、更经济的能源，有可能实现直接的能量转换，热效率极高。不仅轻原子核聚变每千克聚变燃料释放的能量更多，更重要的是聚变燃料在地球上的储量比裂变燃料丰富得多。氘氚聚变释放的能量是同质量铀-235裂变释放的4倍。而且，海洋中有取之不尽的氘。海水中的氘含量为34 mg/L，地球上的氘总含量高达40万亿吨，可供人类使用50亿年以上。锂(锂-6)可以产生氚，锂在自然界也很丰富，所以聚变能是一种比较理想的发电能源。国际核聚变专家乐观地认为，本世纪下半叶可以实现聚变堆的商业发电。

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