核电技术

发展背景

1939年初，德国化学家O.哈恩和物理化学家F.斯特拉斯曼发表了铀原子核裂变现象的论文。几个星期内,许多国家的科学家验证了这一发现,并进一步提出有可能创造这种裂变反应自持进行的条件，从而开辟了利用这一新能源为人类创造财富的广阔前景。同年9月初，丹麦物理学家N.H.D.玻尔和他的合作者J.A.惠勒从理论上阐述了核裂变反应过程，并指出能引起这一反应的最好元素是同位素铀235。

正当这一有指导意义的研究成果发表时，英、法两国向德国宣战。同历史上许多科学技术新发现一样，核能的开发也被首先用于军事目的，即制造威力巨大的原子弹，其进程受到当时社会与政治条件的影响和制约。1939年8月由物理学家A.爱因斯坦写信给美国第32届总统F.D.罗斯福，建议研制原子弹（他认为纳粹在积极研制原子弹），才引起美国政府的注意。但开始只拨给经费6000美元，直到1941年12月日本袭击珍珠港后，才扩大规模，到1942年8月发展成代号为“曼哈顿工程区”的庞大计划，直接动用的人力约60万人，投资20多亿美元。到第二次世界大战即将结束时制成 3颗原子弹，使美国成为第一个拥有原子弹的国家。

“小男孩（Little Boy）”是人类历史上首次使用的核武器。装有60 公斤的铀-235，当中只有约一公斤在爆炸中进行了核裂变，释放的能量约相等于一万三千公吨的 TNT烈性炸药。约七万人直接死于“小男孩”的原爆，大约相同的人受伤。随后再有大量的人死于核子尘埃放射引起的癌症。怀孕的母亲亦因为放射而出现流产，部分初生婴儿畸形发育。据统计，截止到1999年，死于小男孩原子弹的人数已上升至20万。目前广岛市依然将相生桥附近的地区列为放射污染区。

“胖子”长约3.6米，直径1.5米，重约4.9吨，梯恩梯(TNT)当量为2.2万吨，爆高503米。轰炸造成长崎市23万人口中的10万余人当日伤亡和失踪，城市60%的建筑物被毁。

“胖子”是人类历史上第二次使用的核武器，亦是至今为止最后一次使用的核武器。 随着第二次世界大战的结束，核裂变技术被越来越多的应用在国民经济发展中。努力研究利用核裂变产生的巨大能量为人类造福，让核裂变始终在人们的控制下进行，核电站就是这样的装置。

世界上第一座5000千瓦发电量的核电站于1954年6月27日在前苏联建成，成为人类和平利用原子能的成功典范。

世界经济的不断发展，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭的广泛的投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。

然而，这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。石油储量的综合估算，

可支配的化石能源的极限，大约为1180~1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭。天然气储备估计在131800~152900兆立方米。年开采量维持在2300兆立方米，将在57~65年内枯竭。煤的储量约为5600亿吨。1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年。铀的年开采量为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期。核聚变到2050年还没有实现的希望。化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济。

风力、太阳能、地热、潮汐能等，只能在一定条件下有限开发，很难大量使用。即便是较乐观地估计，在21世纪初，上述几种能源在能源总耗量中的比例还比较低。

目前，核电是技术上已较成熟且能大规模经济开发使用并提供稳定电力的清洁能源。 核电已日益成为当今世界的主要能源之一，在所有能源中所占的比例也越来越大。没有核电，全世界16%的用电设备将无电可用。

核电已经发展成为与水电、火电一起构成世界电力的三大支柱。 发电原理 1、核裂变过程

链式反应：一些质量非常大的原子核像铀、钍和钚，这些原子 的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变„„，使过程持续进行下去。

核裂变：重金属元素铀-235的原子核吸收一个中子后产生核反应，使这个重原子核分裂成两个(极少情况下会是3个)更轻的原子核以及2-3个自由中子，还有β和γ射线和中微子，并释放出巨大能量的过程。（例如：U<铀235>+n<中子>→Sr<锶>+Xe<氙>+2n或者U+n→Ba<钡 >+Kr<氪>+3n）

质量亏损：在核反应中，就是指组成原子核的所有单个质子与单个中子质量的总和与原子核质量之差。（例如：U<铀235>+n<中子>→Sr<锶>+Xe<氙>+2n，铀235的质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2 u。其中u为原子质量上的单位1u为1.6605402±0.0000010）×10^-27 kg。则产生的Δm=235.043+1.0087-89.9077-135.9072-2*1.0087=8.2194）

核裂变能（或称原子能）：在核反应中，发生质量亏损，并把亏损的质量转化从原子核中释放的能量。符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc2 （其中E=能量，m=质量，c=光速常量）。核裂变能是打开原子核的结合力，释放出的巨大能量。(例如：U<铀235>+n<中子>→Sr<锶>+Xe<氙>+2n，1u产生的能量e=1u*𝐶=1.6605402*10^-27*9*10^16=913Mev.ev为电子伏特。则ΔE=8.2194*913Mev=5186.4414Mev)

核能发电：利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。

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过程：核能(在重原子核发生核裂变过程中，从原子核中释放出的能量)→水和水蒸气的内能（对水进行加热，使水汽化，形成水蒸汽，从而转变成水的内能）→发电机转子的机械能（水蒸气推动发电机的转子工作）→电能

发展过程 第一代核电技术

第一代核电技术即早期原型反应堆，主要目的是为通过试验示范形式来验证核电在工程实施上的可行性。

前苏联在1954年建成5兆瓦实验性石墨沸水堆型核电站（使用石墨作慢化剂，以沸腾轻水为冷却剂并在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽的动力堆）；英国1956年建成45兆瓦原型天然铀石墨气冷堆型核电站（使用石墨作慢化剂，利用气体作冷却剂来传送反应堆内热量）；美国1957年建成60兆瓦原型压水堆型核电站（使用加压轻水（即普通水）作冷却剂和慢化剂，且水在堆内不沸腾的核反应堆）；法国1962年建成60兆瓦天然铀石墨气冷堆型核电站；加拿大1962年建成25兆瓦天然铀重水堆型核电站（重水堆是以重水作慢化剂的反应堆，重水堆可用轻水或重水作冷却剂）。这些核电站均属于第一代核电站。

第二代核电技术

是在第一代核电技术的基础上建成的，它实现了商业化、标准化等，包括压水堆、沸水堆和重水堆等，单机组的功率水平在第一代核电技术基础上大幅提高，达到千兆瓦级。

在第二代核电技术高速发展期，美、苏、日和西欧各国均制定了庞大的核电规划。美国成批建造了500至1100兆瓦的压水堆、沸水堆，并出口其他国家；前苏联建造了1000兆瓦石墨堆和440兆瓦、1000兆瓦VVER型压水堆；日本和法国引进、消化了美国的压水堆、沸水堆技术，其核电发电量均增加了20多倍。

美国三里岛核电站事故（压水反应堆结构）和前苏联切尔诺贝利核电站事故催生了第二代改进型核电站，其主要特点是增设了氢气控制系统、安全壳泄压装置等，安全性能得到显著提升。此前建设的所有核电站均为一代改进堆或二代堆，如日本福岛（“沸水型”核反应堆）第一核电站的部分机组反应堆。我国运行的核电站大多为第二代改进型。

第三代核电技术

第三代核电技术指满足美国“先进轻水堆型用户要求”（URD）和“欧洲用户对轻水堆型核电站的要求”（EUR）的压水堆型技术核电机组，是具有更高安全性、更高功率的新一代先进核电站。

第三代先进压水堆型核电站主要有ABWR（日本研制的先进型沸水堆型）、System80+（美国ABB/CE公司的开发一座电功率1350MW的压水堆核电厂）、AP600（由美国西屋公司开发的压水反应堆）、AP1000（是由美国西屋公司开发的先进的非能动的压水堆）、EPR(欧洲先进压水堆型)、ACR(先进重水堆型)等技术类型，其中具有代表性的是美国的AP1000和法国的EPR。中国已引进AP1000等技术，分别在浙江三门和山东海阳等地开工建造。

第四代核电技术

第四代核电是由美国能源部发起，并联合法国、英国、日本等9个国家共同研究的下一代核电技术。仍处于开发阶段，预计可在2030年左右投入应用。第四代核能系统将满足安全、经济、可持续发展、极少的废物生成、燃料增殖的风险低、防止核扩散等基本要求。

发展前景

中国正在加大能源结构调整力度。积极发展核电、风电、水电等清洁优质能源已刻不容缓。中国能源结构仍以煤炭为主体，清洁优质能源的比重偏低。

中国预计到 2020年核电装机容量约为4000万千瓦。到2050年，根据不同部门的估算，中国核电装机容量可以分为高中低三种方案：高方案为3.6亿千瓦（约占中国电力总装机容量的30%），中方案为2.4亿千瓦（约占中国电力总装机容量的20%），低方案为1.2亿千瓦（约占中国电力总装机容量的10%）。

中国国家发展改革委员会正在制定中国核电发展民用工业规划，准备到2020年中国电力总装机容量预计为9亿千瓦时，核电的比重将占电力总容量的4%，即是中国核电在2020年时将为3600-4000万千瓦。也就是说，到2020年中国将建成40座相当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。

2012年7月，国务院公布《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》，提出“到2015年，掌握先进核电技术，提高成套装备制造能力，实现核电发展自主化；核电运行装机达到4000万千瓦。包括三代在内的核电装备制造能力稳定在1000万千瓦以上。到2020年，形成具有国际竞争力的百万千瓦级核电先进技术开发、设计、装备制造能力”。

根据《能源发展“十二五”规划》、《核电安全规划（2011－2020年）》、《核电中长期发展规划（2011－2020年）》，我国2020年核电装机规划预计达到8000万千瓦。

核电优缺点 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．核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，暂时没有其他的用途。

世界上铀的储量约为417万吨。地球上可供开发的核燃料资源，可提供的能量是矿石燃料的十多万倍。

3．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。

4、核燃料体积小而能量大，核能比化学能大几百万倍。

1000克铀释放的能量相当于2400吨标准煤释放的能量；一座100万千瓦的大型烧煤电站，每年需原煤300～400万吨，运这些煤需要2760列火车，相当于每天8列火车，还要运走4000万吨灰渣。同功率的压水堆核电站，一年仅耗铀含量为3%的低浓缩铀燃料28吨；每一磅铀的成本，约为20美元，换算成1千瓦发电经费是0．001美元左右，这和传统发电成本比较，便宜许多。

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。

目前，大部分处理手段是将核废料进行固化后，暂存在核电厂内的废物库中，经过5～10年后运往国家规划的放射性废物库贮存或处理。但到现在为止，还没有一个国家能够找到安全、永久处理高放射性核废料的办法。但核废料无法处理仅仅意味着无法在短时间内消灭，其本身在储存过程中的安全性还是有保障的。

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中，故核能电厂的热污染较严重。

3．链式反应必须能由人通过一定装置进行控制。失去控制的裂变能不仅不能用于发电，还会酿成灾害。（如切尔诺贝利核电站和福岛核电站等等）

4．.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。