1、中南大学题 目 能源之核能学生姓名指导教师 唐有根学 院 地球科学与信息物理学院专业班级学生学号时间：2012 年 06 月 1 日能源之核能摘要：经济的发展、能源的短缺，促使核电工业迅速崛起。核能以其独有的优势受到了世界各国的重视与欢迎。然而在发展核技术的同时也给周围环境造成了一定程度的放射性污染。本文介绍了核能所具有的各种优势、核能在国能外的动用情况、运用方式、存在的问题以及发展前景，综合阐述了发展核能的必要性。背景：进入改革开放 30 多年以来，我国经济高速发展，而作为支撑我国经济高速发展的支柱之一，能源在其中占据了举足轻重的地位。与传统能源相比，核能具有高能效、低污染、经济、可持续发展
2、的优点。对核能技术的应用也将变得越来越广泛。我国出台的“十一五”核电规划提出，到 2020 年，核电装机容量将达到 4000 万千瓦，将占全国发电量的 4，平均每年就要兴建一个相当于大亚湾核电站的核电站。作为主要核电能源，铀矿资源在我国湘、赣、粤等地区已被大量开采。此外，由于核武器等战略能源储备以及民用科研需要，开发越来越多的铀矿和伴生放射性矿产资源已是大势所趋。然而，对核能的开发与利用是一把双刃剑，一旦核泄漏造成放射性污染，对世界来说又将是巨大的灾难。一、概述核能是人类历史上的一项伟大发明，这离不开早期西方科学家的探索发现，他们为核能的应用奠定了基础。在 1945 年之前，人类在能源利用领域
3、只涉及到物理变化和化学变化。二战时，原子弹诞生了。人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。美国、俄罗斯、英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的研究。核能是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及核能发电站、蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。除沸水堆外（见轻水堆），其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成 70 个大气压左右的饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机
4、。核能发电利用铀燃料进行核分裂连锁反应所产生的热，将水加热成高温高压，利用产生的水蒸气推动蒸汽轮机并带动发电机。核反应所放出的热量较燃烧化石燃料所放出的能量要高很多（相差约百万倍），比较起来所以需要的燃料体积比火力电厂少相当多。核能发电所使用的的铀 235 纯度只约占 3%4%，其馀皆为无法产生核分裂的铀 238。 举例而言，核四厂每年要用掉 80 吨的核燃料，只要 2 支标准货柜就可以运载。如果换成燃煤，需要515 万吨，每天要用 20 吨的大卡车运 705 车才够。如果使用天然气，需要 143 万吨，相当于每天烧掉 20 万桶家用瓦斯。换算起来，刚好接近全台湾 692 万户的瓦斯用量。所以
5、核能的发展一定程度上反应的是社会的发展，也是人类在科技和能源水平上努力突破的重点，是有着很深远的发展意义的。二、新型核能的特点优点：（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
6、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。三、核能在国内外的运用情况及运用方式现在核能的主要运用还是以核能发电为主，而且运用很广泛
7、，许多国家都建立了许多核电站。目前，国际上大部分核电站建设在内陆。法国 65.1%的核电站建设在内陆，美国有 75.7%的核电站建设在内陆。可见，内陆建核电站是完全可行的。我国建设内陆核电站势在必行。原因在于：内陆地区经济有了很大发展，电网容量亦有很大发展；有些省份缺乏煤炭和水力资源；2008 年初南方各省发生了大面积、长时间的雪灾，造成广大地区长时间断电，带来了严重后果，这表明依靠远距离输电和长途运煤难以保障用电安全。因此，建设不依赖燃料运输的支撑电站核电站是很必要的。技术方面，发展内陆核电站也完全成熟。从安全和环保要求看，内陆核电站和沿海核电站没有本质的差别，目前成熟的核电站设计和建造技术
8、完全可用到内陆核电站。三、在获取或转换以及运用各方面需要解决的问题及问题研究的主要方向利用核能量发电，最担心的是安全问题。世界范围内核电站确实发生过几次大的事故。一次是 1979 年 3 月 28 日，美国三喱岛核电站连续发生操作失误和设备故障，引起堆内失水，导致核燃料元件破损，大量的放射性物质逸出一次回路第二次发生在 1986年 4 月 26 日凌晨 1 时 23 分，位于苏联基辅东北部的切尔诺贝利核电站第 4 号机组突然爆炸起火，3.54.0的核燃料元件被炸出堆外，致使含有巨量放射性物质的蒸汽和浓烟进入大气，酿成一起震撼世界的恶性核泄漏事故。第三桩核泄漏事故发生在日本的茨仁县东海村 JCD
9、 核燃料加工厂，时间是 1999 年 9 月 30 日上午 10 时 35分以上一桩桩事故不可避免地让人们产生这样的疑问核电到底安不安全？的确，从世界范围来看，核能的利用历史还不长。自从世界上建成第一座核反应堆至今，仅仅 50 多年的时间。在核能的应用技术与安全防护方面，也确实存在着许多有待完善和解决的问题。但是，半个世纪以来的核电发展实践告诉我们，核电是当代比较成熟的技术，全球 30 多个国家和地区已建成并投入运行的核电站有 432 座（截至 1999 年底），装机容量达 32861.3 亿千瓦，占世界发电总装机容量的 21。核电在一些国家的发电总量中所占的比重也是十分惊人的：在法国，核发电
10、量占全部发电总量的 75；比利时为61.5；韩国为 49；我国的台湾省也有多座大的核电站，核电占发电总量的 38.7。实践证明，只要严格遵守核电站安全法规和守则，核电的安全性是有充分保障的。核电站对环境的影响，主要存在两种潜在危险：一是自身事故或外来因素引起爆炸事故，造成人身伤亡；一是发生反应堆冷却剂外溢事故时，造成放射性危害。对这两种情况，在设计核电站和选择建站地址时，都有多种可靠有效的考虑。核电站的选址要求非常严格，必须是地震裂度低和地壳稳固的“安全岛”，必须符合环保要求。为此，科学工作者必须全面进行多种项目的实地考察与勘测，其中包括磁航、重力、地震、遥感等等；同时还得进行详尽的水文调查和
11、气象考察、查阅历史上千年以上地质资料的记载，推测今后50 至 100 年的地震活动趋势。核电站与油库、油管、机场、易燃仓库以至民航线、公路、铁路的距离都有相应的限制规定。核电站向外分成隔离区、低人口密度区和人口中心距离区。最近的隔离区半径不得小于 800 米，最外区半径在 7000 米以上。在核电站中还装有许多保护装置和工程安全措施。以我国大陆上第一座核电站秦山核电站为例，这座我国自行研究、设计、制造、施工的核电站坐落在浙江省海盐县的秦山脚下，离省会杭州市有 100 千米左右，依山傍海。核电站的设计准则是：不污染国土，不危害人民。工程强调“纵深防御，综合设防，多道屏障，万无一失”。电站反应堆采
12、用最先进的排放技术，它的燃料是浓度为 3的铀，点燃它的“火柴”是能够钻到原子核内部去的中子。反应堆内有石墨等减速剂，使快速中子变为慢速中子。反应堆功率由控制棒调节。控制棒用吸收中子能力很强的银铟镉合金制成。反应堆的“心脏”部分叫“堆芯”，外有三道屏障保护着它的安全。第一道屏障是高强度的锆合金包壳，燃料芯块叠装其中，能把核燃料裂变时产生的放射性物质密封住。第二道屏障是压力壳，包在锆合金之外，防止锆合金壳破裂，不使放射性物质外逸。最外一层屏障叫安全壳，结构性能优良，气密性比规范预期性优良 3.6 倍。这是一座穹顶的“庞然大物”内层为 6 毫米厚的钢板衬垫，外层为 1 米厚的钢筋混疑土，内径 36
13、米，高 62 米。里边安装一套完整的防护系统。安全壳极为坚固，可以令撞上的飞机粉身碎骨，而自己却毫发无损。反应堆和燃料装卸机用电子计算机操纵。万一出现意外，反应堆能在一、两秒钟内自动停止运转。虽然与原子弹一样都利用了核聚变的原理，但核电采用低浓度裂变物质作燃料，且分散在反应堆内，在任何情况下都不会自我爆炸。更何况在设计和建设过程中又多方采用现代科学技术，能根据需要使裂变反应有控制地进行，并能随时中止反应。所以，只要严格遵守操作规范，恪守操作守则，核电站的安全性是有充分保障的。五、国内外核能发展现状以及前景截至 2006 年，全世界在运转中的核反应堆达 435 座，其中有29 座以上正在建设中。
14、美国运转的核电站最多，为 103 座。法国次之，为 59 座。日本为 55 座（1 座以上在建设中），俄罗斯为 31 座（7 座以上在建设中）。拥有核能发电的 30 个国家中，由核能供电的份额变化较大。其中法国高达占 78%，比利时占 54%、韩国占 39%、瑞士占 37%、日本占 30%、美国占 19%、南非占 4%和中国占 2%。现在核能发电站的扩建集中在亚洲：至 2006 年底建设中的 29座就有 15 座在亚洲。最近建设的 36 座核反应堆已与电网联网的有26 座在亚洲。印度核能发电所占比例现小于 3%，但至 2006 年底，拥有建设中核电站的 1/4，在建设中 29 座核电站中拥有
15、7 座。印度的计划更令人印象深的是：到 2022 年将增长 8 倍，达到电力供应的10%；到 2052 年将增长 75 倍，达到电力供应的 26%。75 倍的增长意味着年均增长 9.4%，与全球 19702004 年的平均增长率相同。中国的核工业在五十年代中期开始建立,现已形成比较完整的核工业体系。八十年代初中国核电开始起步，其自行设计建造的秦山30 万千瓦压水堆核电站，于 1985 年 3 月正式开工,1991 年 12 月并网发电。利用外资和引进国外成套设备兴建的大亚湾核电站两台 90万千瓦机组，于 1987 年 8 月开工建设，1994 年投入商业运行。“九五”期间有 4 个核电项目 8
16、 台机组开工建设，总装机容量为660 万千瓦。它们分别是：1996 年 6 月开工建设的秦山二期核电站两台 60 万千瓦压水堆机组，1997 年 5 月开工建设的岭澳核电站两台 100 万千瓦级压水堆机组，1998 年 6 月开工建设的秦山三期核电站两台 70 万千瓦级重水堆机组，这三个项目均于 2003 年建成投产；于 1999 年 10 月开工建设的田湾核电站两台 100 万千瓦级压水堆机组，则于 2005 年建成投产。自八十年代初核电起步以来，中国在核电站的建设和运行、前期准备工作、国产化、有关法规和管理体系的建立等方面做了大量的工作，并取得了相当的进展，为今后的发展奠定了基础。中国通过
17、 6 个核电项目 11 台机组的建设，现已形成基本配套的核动力、核燃料科研开发工业体系；积累了科研、设计、建设、运行等一整套宝贵经验；培养和造就了一支专业齐全，具有相当实力的科研、设计和工程建设队伍，建立了一批大型实验台架，进行了大量科研攻关和设计研究。通过在建项目的实施，掌握了较多的设计资料，积累了大型核电站的工程建设和项目管理经验，国产化能力有了较大的提高。并且已经逐步建立了比较完整的核燃料循环体系，初步形成了从铀矿地质勘查、铀矿采冶、铀同位素分离、核燃料元件制造、乏燃料后处理直至核废物处理与处置等完整的核燃料循环工业体系。特别是改革开放三十年来，在与国际广泛交流的基础上，引进和开发了先进的技术和工艺，在核燃料生产的几个主要环节上，实现了更新换代，不仅对提高产品质量、降低生产成本等发挥了重要的作用，而且可以满足或基本满足中国核电更大发展的需求。此外，在核能技术开发方面，中国已在先进压水堆、快中子增殖堆、高温气冷堆和低温供热堆方面开展了不少工作。2007 年 10 月初，经国务院批准，国家发改委对外发布我国核电发展专题规划(2005-2020 年)。根据规划，在未来的 13 年
