【每日一题】核电产生及利用现状

一、核能发电利用现状

1951年，美国首次尝试在爱达荷州国家反应堆试验中心的核反应堆发电，产生100千瓦的核电，这是人类和平利用核能的第一步。此后不久，1954年6月，前苏联在莫斯科郊区的约布宁斯克建造了世界上第一座核电站，向工业电网输送电力，但功率只有5000kW。 1961年7月，美国建造了第一座商业核电站——扬基核电站。核电站发电近300MW，发电成本降至9.2 mil/kWh，可见核电站的强大生命力。今天，一些经济发达国家。由于经济高速发展与能源泛滥之间的矛盾日益突出，同时传统能源产业造成的环境污染和温室效应严重威胁着人类的生存环境。因此，不仅法国、日本、意大利等缺乏常规能源的国家，还有美国、加拿大等常规能源丰富的国家，也在大力发展核能。发电厂。截至1995年，全球在运核电站总数达到438座，其中，美国在运核电站109座，核电发电量达到6730亿千瓦时的历史记录。法国的核电发电量比上年增长了 4.9%，达到 3580 亿千瓦时。在运的56座核电站占全国总发电量的76%，去年核电出口达700亿千瓦时。核电已成为法国的第六大出口产品。日本由于常规能源资源匮乏，非常重视核电的发展。目前在运的 51 座核电站供应了该国总电力需求的 28%，日本当局计划到 2000 年将核电增加 33%。

二、核电的优越性

核电的快速发展是由核电自身的优势决定的。

核能是集中、清洁、安全、经济的能源。首先，核能是一种高度集中的能源，核电站可以建在最需要电的地方，不受燃料运输的限制。一公斤铀裂变产生的热量相当于燃烧一公斤标准煤产生的热量的270万倍。因此，核电站特别适用于缺乏常规能源但又急需用电的地区，如东南、华南等地区。核能是储量最丰富的能源，地球上铀的储量相当丰富，相当于有机燃料储量的20倍。

核能是一种清洁能源，有利于保护环境。目前，全球80%的电力来自燃煤或燃油火力发电站，燃烧后的烟气排放到大气中，严重污染环境。同规模的火电站释放的放射性是核电站的数倍。燃煤后排放的一氧化碳、二氧化碳、硫化氢和苯并芘等易形成酸雨，酸化土壤，增加水源酸度，对植物和水生资源造成危害，破坏生态平衡。苯并芘也是一种强致癌物。物质。一个成年人每天呼吸约14公斤的空气，火电厂污染造成的死亡率是同等规模核电厂的400倍。同时，大气中二氧化碳浓度的升高也会导致大气的“温室效应”。另外，煤炭和石油是重要的化工原料，大量燃烧不利于化工行业的发展，是一种非常不幸的浪费。

核能也是安全能源 经过几十年的发展和完善，核电站已成为最安全的行业之一。我国核工业30多年的安全记录就是一个很好的证明。反应堆运行一年称为堆年。在三哩岛事故之前，世界各地的商业核电站已经运行了 1400 个反应堆年。从三哩岛事故到 1986 年，它安全运行了 2000 多个反应堆年。三哩岛事故是由设计、管理、运行、设备等方面的缺陷交织而成的非常罕见的事故。只要排除任何一个环节的问题，就不会出现这样的后果。事故后果没有宣传宣传那么严重，所有主要安全系统在事故中自动投入运行。 1986年4月，苏联切尔诺贝利核电站又发生重大事故。专家认为，前苏联核电站，特别是早期的核电站，安全设施较差，没有安全壳。事故的直接原因是在某次试验中，由于违反操作规程，信号指示和控制系统无法工作。如今，国际原子能机构和各国国家安全部门制定了一系列安全法规和指南，严格管理核电站的安全。

特别指出，1989年11月建成的清华大学核研究所设计的5兆瓦低温核加热堆是世界上第一座投入运行的核加热堆，也是世界上第一座核加热反应堆。使用新型液压驱动燃料控制棒系统的核反应堆堆。这种反应堆设计有一个压力容器和一个安全壳。具有双重安全屏障，安全可靠，已运行5个冬天，未发现任何事故。据监测，5兆瓦低温反应堆排放到大气中的放射性物质造成的危害仅为吸烟危害的1/400，放射性污染极小。

核能也是一种经济能源。世界运行核电站的经验证明，虽然其建设成本比火电厂高30-50%，但由于燃料较低，其发电成本仍比火电厂低30%左右和运输费用。随着不断改进和改进，成本将不断下降。日本能源经济研究所预测，到2010年，日本的核电成本为8.9日元/kWh，而煤电和石油电力的成本为10.45日元/ kWh和13.06日元/kWh因此，有专家预测，未来城市集中供热项目逐步采用低温核供热技术是必然趋势。

三、核反应堆和核电站

能够维持受控自持核裂变链式反应的装置称为核反应堆。

二战期间发展起来的原子能工业。当时，一切努力都在制造核武器以满足军事需要。自 1950 年代以来，原子能用于和平事业发展迅速，因此核反应堆的类型和数量不断增加。根据核反应堆的分类，大致可分为以下几类：

(1)生产反应堆。主要用于生产裂变材料和其他材料，或用于工业规模的辐照，称为生产反应堆。第一座石墨水冷反应堆和天然重水反应堆建成于1950年代的反应堆都生产军用239Pu，即天然铀中的大量238U通过在反应堆中吸收中子而转化为239Pu，239Pu是一种可裂变材料，可以作为核武器的原料。此外，还可以将Li放入反应堆中，中子辐照产生氚（H），氚是氢弹的重要原料。

(2)实验反应堆。一个反应堆的运行主要是为了获得设计或开发反应堆或反应堆类型所需的反应堆物理或反应堆工程数据。例如，用于核物理、放射化学、生物、医学研究和放射性同位素生产等，也可用于反应堆部件、结构材料以及各种新型反应堆本身的静态和动态特性的测试。

(3)用于产生动力（发电、推进、加热）的反应堆称为动力反应堆，如用于核电站、核加热、核潜艇等的反应堆，类型分为四类：

一个。石墨气冷反应堆——包括最早的 Magnox 反应堆、改进的气冷反应堆和高温气冷反应堆。反应堆是一种以石墨为慢化剂、气体为冷却剂的反应堆。 Magnox反应堆以天然铀为燃料，燃料包壳为Magnox镁合金，采用二氧化碳冷却。 Magnox 进一步发展为高温气冷反应堆 (HTGR)。它采用氦气作为冷却剂，避免了CO2对石墨的腐蚀作用，取消了金属材料制成的燃料包壳。 ，制成燃料元件，装入石墨块的燃料孔中。由于上述措施，中子的经济利用和运行温度有了很大的提高，使高温气冷堆的热效率提高了40%以上。此外，高温气冷堆燃料中的钍是一种增殖原料，可以使反应堆获得更高的转化率。

b.轻水反应堆有两种，一种是沸水反应堆，一种是压水反应堆。两者都使用轻水作为慢化剂和冷却剂；用低浓缩二氧化铀制成球团，放入锆合金包壳中作为燃料。沸水反应堆不需要单独的蒸汽发生器，但由于蒸汽具有一定的放射性，汽轮机的车间要进行屏蔽，同时也会增加维修的难度。据统计，当今80%的核电站都是压水堆。我国的秦山一期和大亚湾核电站属于这一类。 “九五”期间，秦山二期工程、广东核电站和辽宁核电站也将使用压水堆。

c。重水反应堆 重水反应堆是一种以天然铀为燃料，重水为慢化剂的反应堆。它是加拿大重点开发的反应堆类型，以CANQL型为代表。由于用数百根压力管代替了整个压力容器，压力管可以批量生产，质量容易保证，而且在扩大堆容量时只需要增加压力管的数量，有利于标准化。在压力管内，可实现连续堆放卸料。这样可以控制每个燃料束达到均匀的燃耗深度，有利于充分利用燃料，减少停堆时间，提高反应堆的有效利用率。而且，重水反应堆使用天然铀作为燃料，不需要设立浓缩铀厂，这对分离能力不足的国家发展这类反应堆特别有利。我国“九五”期间核电是一种()的能源，秦山核电三期工程将从加拿大引进重水堆。重水反应堆使用的重水价格昂贵，防止泄漏和回收泄漏的重水是一个特别困难的问题。

d。钢冷快堆 钠冷快堆是钠冷快中子堆。在核能发电问题上，必须考虑养殖问题，否则对核燃料资源的利用极为不利。增殖反应堆的使用可以将核燃料资源的规模扩大数百倍。快堆利用中子实现核裂变和增殖。前面提到的石墨气冷堆、轻水堆和重水堆都是热中子反应堆。对于每次裂变，快堆的中子产额高于热堆，所有结构材料对快中子的吸收截面都小于热中子，这就是实现增殖的原因。

钠冷快堆使用钠金属作为冷却剂。钠在 98 °C 时熔化；沸点为 883 °C，比大多数金属具有更高的比热和良好的导热性，而且相对便宜，适合用作反应堆冷却剂。

国际快堆的发展历史悠久。据报道，1995年8月29日，日本文州28万千瓦快堆以额定功率的5%——1.4万千瓦并网。我国快堆技术的发展始于1960年代中后期，取得了丰硕的成果。 1987年底，快堆被列入“863”高技术研究计划。计划2015年建设推广单推力100-150兆瓦的模块化快堆电站，2025年建设推广1000-1500兆瓦具有增殖性能的电站。大型快堆。

不同类型的核反应堆在对应的核电站的系统和设备上有很大的不同。以压水堆为例，核电站由核反应堆、一回路系统、二回路系统和其他辅助系统组成。核反应堆是核电站动力装置的重要设备。同时在反应器中进行裂变反应。所以它是放射性的发源地。一回路系统由反应器、主循环泵、稳压器、蒸汽发生器及相应的管道、阀门等辅助设备组成。出去。二回路系统是将蒸汽的热能转化为电能的装置，在停堆或事故发生时保证核蒸汽系统的冷却。辅助系统的主要作用是保证反应堆和回路系统的正常运行，为一些重大事故提供必要的安全防护和防止放射性物质扩散的措施。

我国的原子能科技虽然起步较晚，但经过30多年的努力，已经有了坚实的基础。 1960年代以来，我国先后成功引爆了原子弹、氢弹，研制了核潜艇。迄今为止，原子能开发利用技术已达到一定水平，为核电建设奠定了良好基础。 1993年底，广东大亚湾核电站成功运行。 1995年秦山核电站发电22亿千瓦时，大亚湾核电站超额完成100亿千瓦时发电任务。这样，我国1995年的核电发电量就达到了122亿千瓦时

四、压水堆棒状核燃料元件

核反应堆的堆芯结构是反应堆的核心部件，在这里实现核裂变反应，将核能转化为热能；同时，它是一种强放射源。堆芯由核燃料组件、控制棒组件等组成。现代压水反应堆的燃料采用低浓缩铀（铀235的浓缩度约为2-4%）作为核燃料。

制造核燃料元件的第一个主要工艺过程是在车间生产满足一定性能要求的二氧化铀粉末。在我国，二氧化铀粉是采用技术成熟的ADU（重铀酸铵）法生产的。主要工艺是将六氟化铀汽化，水解制得氟化铀磨粉（UO2F2），再用氨水在沉淀池中转化为ADU粉。第二大工艺是氢气还原成二氧化铀。是将二氧化铀粉末压制成粗块，烧结、研磨成具有一定性能要求、一定尺寸和规格的圆柱形二氧化铀球团，在管子上组装成核燃料元件棒，棒中填充一定量的氦气，两端密封，然后按一定的排列排列成正方形或六边形的网格阵列，中间用几层弹簧夹式定位网格，夹住元件棒，框架构件的上下端固定在上下管座上，形成棒束式燃料元件。

我国有能力自行设计和制造核部件。 1994年，我国核工业公司国有812厂从法国Genma公司成功引进秦山大型核燃料部件生产线第一批燃料和第一批换料。河大亚湾核电站的第一次换料大部分是由该厂生产的。从他们的运行数据来看，国产元器件的质量是可靠的。

五、新技术与前景

人们对使用核电站的关注主要集中在核安全问题上，如：核燃料的放射性、运行中的核事故、核废料的处理，如1979年美国三哩岛核事故而前苏联1986年的切尔诺贝利事故导致一些人对核能产生恐惧，给和平利用核能蒙上了一层阴影。经专家分析，三哩岛事故和切尔诺贝利事故在很大程度上都是人为因素造成的。核能技术发展进入成熟阶段，特别是快中子增殖反应堆的使用，不仅可以提高核电站的安全系数核电是一种()的能源，而且产生的核废料也更少，产生的核废料更容易处理此外，这种反应器也可以少量废弃。老式反应堆产生的核废料中的放射性钚和锕系元素在燃烧过程中被破坏。专家认为。这种反应堆运行可靠性和安全性高，是目前销毁部分核废料的最佳方法。目前，国际核能界致力于发展快中子增殖反应堆（简称快堆）。这种反应堆运行时，一方面消耗核燃料发热发电，另一方面又产生新的核燃料钚，产量大于消耗。这样，天然铀的单耗降低到原来的1/5-1/10。维持核能经济；同时，最重要的是依靠核燃料、冷却剂、放射性废物等核技术组成部分所固有的基本物理化学性质和规律来杜绝事故，这将是世界的“第二核时代”。人类。主要内涵。

目前，全球14个国家有38座核电站在建。这一事实表明，随着世界“能源危机”的加剧和生态环境的进一步恶化，使用清洁安全的核能将是人类无法回避的课题