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第一章 核电系统基本知识 第一节 核裂变与核电厂基本介绍

能源是一个国家发展农业、工业、国防、科学技术和提高人民生活水平的重要物质基础。随着我国国民经济的快速发展，能源供应的短缺和化石燃料的污染问题正在成为制约我国经济、社会和环境可持续发展的一个瓶颈。

目前人类的能源结构还是以化石燃料为主，但化石燃料的储量是有限的，因此开发新能源是人类生存与发展的需要，也是社会经济发展的需要。在这个背景下，核能日渐成为人类使用的重要能源，核电也逐步成为电力工业的重要组成部分。同时，由于核电不造成大气的污染和二氧化碳的排放，在人们越来越重视环境保护、温室效应和气候变化的形势下，积极推进核电建设已经成为我国能源建设的一项重要政策。

一、原子核与核能

世界上的一切物质都是由带正电的原子核和绕原子核旋转的带负电的电子构成的。原子核包括质子和中子，质子数决定了该原子属于何种元素；质子数和中子数之和决定了该原子属于何种核素。如一个铀-235原子是由92个质子与143个中子组成的原子核和92个电子构成的；而一个铀-238原子是由92个质子与146个中子组成和92个电子构成的；铀-235和铀-238都属于铀元素，但为不同的核素。

原子核在原子里只占极小的位置，如果把原子看作是我们生活的地球，那么原子核就相当于一个乒乓球的大小。虽然原子核的体积很小，但在一定条件下它却能释放出惊人的能量—核能。

核能的获得的途径主要有两种，即重核裂变与轻核聚变。

? 重核裂变

重核裂变是指一个重原子核，分裂成两个或多个中等原子量的原子核，引起链式反应，从而释放出巨大的能量。例如，当用一个中子轰击U-235的原子核时，它就会分裂成两个质量较小的原子核，同时产生2－3个中子和β、γ等射线，并释放出约200兆电子伏特的能量，见图1－1。如果再有一个新产生的中子去轰击另一个铀-235原子核，便引起新的裂变。以此类推，裂变反应不断地持续下去，从而形成了裂变链式反应，与此同时，核能也连续不断地释放出来。

可作为核燃料使用的可裂变核素有U233、U235和Pu239三种核素。U235是以自然形式存

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在，它在天然铀中只占0.712％，天然铀中U238占99.282％。U233和Pu239是由Th232和U238通过核反应得到的。

图1－1 重核裂变反应图

核裂变反应有多种形式，产生的物质也各不相同。下式就是裂变反应的一个方程式：

23592190 1U?0n?????38Sr?13654Xe?100n

? 轻核聚变

所谓轻核聚变是指在高温下(几千万度以上)重氢核(氘核)与超重氢核(氚核)结合成氦放出大量能量的过程，也称热核反应，见图1－2。氢弹就是利用热核反应瞬间释放出巨大能量的武器。在地球上，热核反应的原料取之不竭，受控热核反应可能是今后人类能源的主要来源。但现在人类还不能进行受控热核聚反应，目前正在研制的“受控热核聚变反应装置”就是国际上为实现受控热核反应所做的努力。

图1－2 轻核聚变反应图

核聚变反应的反应方程式只有下式一种，生成物也是固定的。

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21341H?1H?????2H?0n核聚变要比核裂变释放出更多的能量。例如相同数量的氘和铀-235分别进行聚变和裂变，前者所释放的能量约为后者的三倍多。由于人类还未掌握受控热核反应技术，因此，目前被人们所熟悉的核电厂、核反应堆等等都是利用核裂变的原理。

二、核反应堆与核电厂

核反应堆是一个能维持可控制核裂变链式反应，从而实现核能－热能转换的装置。核反应堆是核电厂的心脏，核裂变链式反应在其中进行。核反应堆一般由堆芯、反应性控制机构、堆内支承结构以及反应堆容器等组成。堆芯是核燃料所在地，又称活性区；反应性控制机构通过控制链式反应，实现反应堆的启动、功率调节和停堆；堆内支承结构起支承堆芯、定位对中等作用。

核裂变反应过程中所释放出来的巨大能量，绝大部分在核反应堆中转化为热能。核电厂的其他部分的功能就是将这些热能转变为电能。目前，核电厂采用的办法是使水、二氧化碳气体、重水(它是氢的同位素－氘和氧的化合物，其分子式为D2O)或液态金属钠等作为“冷却剂”流过核反应堆时而被加热，然后再使被加热后的冷却剂流到蒸汽发生器中，使得蒸汽发生器的水变成高温高压的蒸汽，以推动汽轮机运转，带动发电机进行发电。冷却剂把热量传给水以后，再通过流体输送泵回到核反应堆中去吸热。如此循环往复，就能确保核电厂能够持续不断地进行发电。

三、世界核电发展

1938年，科学家在一次试验中发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂，在放出2－3个中子的同时产生一种巨大的能量，这种能量比化学反应所释放的能量大的多，这就是我们今天所说的核裂变能。人们随即开始了核能的应用研究。

1942年，美国建成世界上第一座核反应堆，实现了链式反应，但还不能从反应堆中取得有用的热量。在第二次世界大战期间，几个大国致力发展核武器。直到战后，各国才开始重视核电的研究。1954年6月，前苏联建成世界上第一座核电厂，其功率为5000KW；1956年5月，英国建设的第一座石墨气冷堆核电厂，其发电容量5000KW。

从那时开始的50多年来，核电经历了三代的发展。预计再过20多年将会出现经济、安全、

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废物量少和具有防核扩散能力的反应堆技术，也就是我们所说的第四代核电。

第一代核电是自50年至60年代初苏联、美国等建造的第一批单机容量在300MWe的原型核电厂，如美国的希平港核电厂和英第安角1号核电厂，法国的舒兹(Chooz)核电厂，德国的奥珀利海母(Obrigheim)核电厂,日本的美浜1号核电厂等。

第二代核电是指20世纪70年代到现在运行的大部分商业核电厂。所用的反应堆堆型主要有西方国家设计的压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆和前苏联设计的压水堆和石墨堆。目前我国正在运行的核电厂除了秦山第三核电厂为重水堆，其它为均属于第二代压水堆核电厂。

第三代核电主要代表分别是美国与欧洲分别开发的AP1000和EPR。它们共同的特点是，它们的设计依据分别是美国核电用户要求文件（URD）和欧洲核电用户要求文件（EUR）提出的新一代核电厂的安全和设计技术要求。

第四代核电厂将满足安全、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。

核电自20世纪50年代中期问世以来，目前已取得长足的发展。根据国际原子能机构的统计，全世界正在运行的核电机组有443座，分布在31个国家或地区，年发电量占世界总量的16%；另外，正在建造的核电机组25座。目前，核电主要分布在北美（美国、加拿大）、东亚（日本、韩国）和欧洲（法国、英国、俄罗斯、德国）等，这8个国家的反应堆数量占全世界总和的74%。反应堆拥有量排名前三位的美国、法国、日本的反应堆总和占全世界的49.4%。

四、中国核电发展概况

在党中央、国务院的正确领导下，我国核电经过20多年的发展，取得了显著成绩。核电设计、建设和运营水平明显提高，核电工业基础已初步形成。

经过起步和小批量两个阶段的建设，目前形成了浙江秦山、广东大亚湾和江苏田湾三个核电基地。截至到2007年底，我国共有11台核电机组投入运行，装机容量达到885万千瓦。2007年底，我国核电装机容量和核发电总量，分别占我国电力总装机容量和发电量的1.3%和1.9%。

秦山一期核电厂已经安全运行16年，在2003年结束的第七个燃料循环中创造了连续安全运行443天的国内核电厂最好成绩，2003年世界核电运营者协会（WANO）九项性能指标中，秦山核电厂有六项指标达到中值水平，其中三项指标达到世界先进水平。

秦山二期国产化核电厂全面建成投产，实现了我国自主建设商用核电厂的重大跨越，比投资1330美元/千瓦，国产化率55%，经受住了初步运行考验，表现出了优良的性能，实现了较

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好的经济效益和社会效益。秦山三期重水堆核电厂建成投产，实现了核电工程管理与国际接轨，创造了国际同类型核电厂的多项纪录。

广东大亚湾核电站投运10 多年来，保持安全稳定运行，部分运行指标达到国际先进水平，取得了较好的经济效益。广东岭澳核电厂也已经全面建成投产并取得良好的运行业绩。江苏田湾核电厂也已并网发电。此外，我国出口巴基斯坦的恰希玛核电厂2000年6月并网发电，2003年负荷因子达到85%。

2007年对于中国核电界毫无疑问是具有里程碑意义的一年。国务院正式批准了发改委提交的《核电中长期发展规划（2005－2020）》，明确了今后核电发展的方向；由国务院和中核集团等４家国企共同出资组建的国家核电技术有限公司在京成立，主要从事第三代核电技术的引进和建设；中广核和法国签订了涉及80亿欧元的核电大单，法国和美国在中国核电市场上的竞争愈发激烈；江苏田湾核电站两台百万千瓦级核电机组并网发电；这一年里，辽宁红沿河核电站开始动工建设；福建福清、秦山扩建、岭澳二期等多个核电项目进入实际操作阶段。如果把2006年底中国牵手西屋电气看作是我国核电发展序幕的话，那么2007年则是真正意义上的大幕拉开，中国核电快速发展的大戏由此上演。

大量建设和国产化将成为今后一段时间内中国核电的主题词。要实现2020年的规划目标，此后的13年内平均每年还要新建2台以上百万千瓦级核电机组，涉及资金约4500亿元；在追求装机容量的同时，国家希望早日实现核电领域的自主，自主设计建造、设备国产化。对于投资者、设备制造商、研究机构等多个行业来说，核电大发展带来的机遇将是千载难逢。

五、核电厂反应堆堆型

核电厂的分类的主要依据是反应堆堆型，按堆型分类世界上已投入运行的核电厂有以下几种：

（一） 压水堆核电厂

这种核电厂的优点是：反应堆的结构简单，功率密度高；汽轮机不带放射性，勿需采取防护措施。

这种核电厂的缺点是：系统复杂，设备多；为得到较高的蒸汽参数，反应堆及一回路设备都要在很高的压力下工作，使其设计、制造困难。

1950年美国海军把推进动力研究集中在压水型反应堆上，1954年魟鱼号核潜艇下水。随后，美国压水型反应堆由于陆上核电厂的建设，并得到了迅猛发展。

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