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核能發電的工作原理

2018-03-05 10:59 ? 次閱讀

核能是一種高度密集的優質能源,但要讓核能釋放出來作為發電,不是一件容易的事。1942年12月2日,科學家費米和同事們在美國芝加哥大學,實現了世界上第一次受控自持鏈式反應,這個反應進行了28分鐘,雖然它的功率小(最高只達到200瓦),但是它的意義是十分巨大的;1951年,美國建成了世界上第一個核能發電裝置;1954年6月,前蘇聯建成世界上第一座0.5萬千瓦核電站

2003年統計數據顯示,全世界運行的核電機組數為440臺,占世界總發電能力的16%。在建核電機組數為31臺。世界核發電量所占比例已從1973年的3%上升到現在的17.3%。預計到2020年,核電在能源結構中應占有22%的比例。美國是世界上核電站最多的國家,擁有全世界四分之一的核電反應堆。立陶宛和法國是世界上核電比例最高的國家,核發電量占該國總發電量的75%以上。2003年,中國大陸全年發電量中2.2%來自于核電。

核能發電的工作原理

核能發電的工作原理

將原子核裂變(或聚變)所釋放的核能轉變為電能的系統和設備通常稱為核電站。原子核反應堆類型不同,核電站的系統和設備也有所不同。下面以壓水反應堆(核電站的主力堆型)為例,介紹核電站的工作原理。壓水堆核電站主要由原子核反應堆、一回路系統、二回路系統及其它輔助系統和設備組成。其流程原理示意如下圖所示。

核能發電的工作原理

一回路系統是將裂變能轉化為水蒸氣的熱能裝置。它由反應堆、一回路循環泵(即主泵)、穩壓罐(即穩壓器)、蒸汽發生器以及相應的管道等組成。原子核反應堆內產生的核能,使堆芯發熱溫度升高,高溫高壓的冷卻水在主循環泵驅動下,流進反應堆堆芯,將堆芯中的熱量帶至蒸汽發生器。蒸汽發生器再把熱量傳遞給二回路循環系統中的給水,使給水加熱變成高壓蒸汽,放熱后的冷卻水又重新流回堆芯。這樣不斷地循環往復,構成一個密閉的循環回路。

一回路循環系統的壓力由穩壓罐進行調節。現代大功率壓水堆核電站的一回路系統一般有2-4條并聯的密閉環路,每條環路由一臺主循環泵和一臺蒸汽發生器與相應管道連接而成。為了確保安全,將整個一回路循環系統的主要設備集中安裝在一座立式圓柱狀球形頂蓋密封建筑物(通常稱為核電站安全殼)里,它是采用預應力混凝土內襯鋼板的大型建筑結構,能承受一定壓力,可以防止放射性物質穿透和向外擴散。

二回路循環系統由汽輪機、發電機、冷凝器、二回路循環泵等設備組成。二回路中蒸汽發生器的給水吸收了一回路傳來的熱量變成高壓蒸汽,然后推動汽輪機,帶動發電機發電。作功后的廢氣在冷凝器內冷卻而凝結成水,再由給水泵送入加熱器加熱后重新返回蒸汽發生器,再變成高壓蒸汽推動汽輪發電機作功發電,這樣構成了第二個密閉循環回路。二回路系統設備均安裝在汽輪發電機組廠房內,一回路和二回路通過主蒸汽管道與蒸汽發生器連接。

核電站的二回路系統和普通火電站的動力回路相似,蒸汽發生器和一回路系統相當于火電站的鍋爐。由于反應堆一回路系統往往帶有一定劑量的放射性,因此,從反應堆出來的冷卻劑一般不宜直接送入汽輪機,否則將會使常規機組操作維修復雜,所以核電站一般比火電站要多一套動力回路。此外,核電站還設有為了維持核電站正常運行和防止事故的輔助系統廠房、電站循環水泵房、輸配電廠房以及放射性廢物儲存和處理等廠房。

核能發電的優缺點

優點:

1、核能發電不像化石燃料發電那樣排放巨量的污染物質到大氣中,因此核能發電不會造成空氣污染。

2、核能發電不會產生加重地球溫室效應的二氧化碳。

3、核能發電所使用的鈾燃料,除了發電外,沒有其他的用途。

4、核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍,故核能電廠所使用的燃料體積小,運輸與儲存都很方便,一座1000百萬瓦的核能電廠一年只需30公噸的鈾燃料,一航次的飛機就可以完成運送。

5、核能發電的成本中,燃料費用所占的比例較低,核能發電的成本較不易受到國際經濟情勢影響,故發電成本較其他發電方法為穩定。

缺點:

1、核能電廠會產生高低階放射性廢料,或者是使用過之核燃料,雖然所占體積不大,但因具有放射線,故必須慎重處理,且需面對相當大的政治困擾。

2、核能發電廠熱效率較低,因而比一般化石燃料電廠排放更多廢熱到環境裏,故核能電廠的熱污染較嚴重。

3、核能電廠投資成本太大,電力公司的財務風險較高。

4、核能電廠較不適宜做尖峰、離峰之隨載運轉。

5、興建核電廠較易引發政治歧見紛爭。

6、核電廠的反應器內有大量的放射性物質,如果在事故中釋放到外界環境,會對生態及民眾造成傷害。

核能發電的工作原理

核電站主要堆型

核電反應堆是一種特殊鍋爐,也有人稱它為原子反應爐。現代的反應堆,從外面看是一個立式球形頂的圓柱體或球形建筑物,這就是所謂核島。至于發電部分(也稱為常規島),核電廠與炎電廠都用蒸汽膨脹做功,推動蒸汽輪機旋轉,帶動發電機發電。核電站與火電站主要的不同是蒸汽供給系統。火電站依靠燃燒化石燃料釋放的化學能制造蒸汽,核電站是依靠核燃料裂變反應釋放核能來制造蒸汽。

核電堆型種類很多,但技術比較成熟且投入商業營運的,主要有以下幾種堆型。

(1)壓水堆:是一種首先應用于艦船的核動力堆,以水為冷卻劑和中子慢化劑,結構緊湊,經濟性好,安全性也較好,除了有幾道安全屏障外,還有一系列縱深防護措施。從安全心理出發,這恐怕是許多國家選用壓水堆的重要因素,目前是全世界核電站的主力堆型。我國大陸已建及在建的11臺核電機組中就9臺是壓水堆核電機組。

第三代先進壓水堆技術以歐洲的AREVA公司的EPR和美國WESTINGHOUSE公司的AP1000技術為首,這兩大公司也把持著世界核電行業的頭二把交椅。

核能發電的工作原理

核能發電的工作原理

領導講話——環境保護部副部長、核安全局局長李干杰

(2)沸水堆:是在壓水堆的基礎上,經過簡化派生出來的。它通過降低壓力,使水在堆芯沸騰后直接生成蒸汽,經過汽水分離,直接用于推動汽輪機發電。雖然沸水堆只有一個回路,系統結構比較簡單,設備制造難度也較低,但其蒸汽帶有放射性,汽輪機及主蒸汽管道都必須有相應的防護措施。

沸水堆主要是GE和HITACHI在做,中國還沒引進,鬼子用的較多

核能發電的工作原理

(3)重水堆:使用重水(即重氫和氧形成的水)作冷卻劑和中子慢化劑,可直接采用天然鈾或略濃縮的金屬鈾作燃料,不需要大型制造設備,但這種反應堆體積大,且重水價格昂貴。我國大陸已建和在建的11臺核電機組有2臺是從加拿大引進的重水堆核電機組。

重水堆也就是加拿大原子能公司的CANDU堆

核能發電的工作原理

(4)氣冷堆:采用氣體(二氧化碳、氦氣等)作冷卻劑,曾一度是英國與法國的主要堆型,由于氣體傳熱能力較差,有一些難題尚待解決,其發展受到一定的限制。目前正在開發的高溫氣冷堆,熱效率高,安全性好,有可能得到發展。

(5)壓力管式石墨沸水堆:該電站是采用的壓力管式石墨沸水堆,這種堆型設備制造簡單,可不停堆裝卸料;但回路系統復雜,安裝維修困難,特別是壓力管是單層的,又沒有壓力殼,因而反應堆一旦損壞,放射性物質就直接而且大量地泄漏到環境中去了。1986年4月26日,前蘇聯切爾諾貝利核電站發生嚴重事故之后,這種堆型的發展計劃已被取消。

(6)快中子增殖堆:快中子增殖堆沒有慢化劑,使用快中子(中子平均能量約0.5Mev以上,比熱中子反應堆內電子平均能量約0.07Mev大得多)引發裂變,不但每個鈾—235原子核裂變后放出的次級中子多,而且快中子的損失少。因此,這些快中子在引發裂變后,還有較多的剩余,可用來使不易裂變的鈾-238變成易裂變的優質燃料钚-239,從而使核燃料越燒越多。壓水堆是消耗核燃料鈾-235生產了電能;而快中子增殖堆既生產了電能,又生產了核燃料钚-239。

由于快中子增殖堆使作為天然鈾主要成分的鈾——238變成钚——239加以利用,因而快中子增殖堆中鈾的利用率比目前壓水堆中鈾的利用率高140倍。那些在壓水堆中不能利用的濃縮鈾的尾料,以及壓水堆卸出的核燃料,都能在快中子增殖堆中得到利用。而且,使那些在目前不能開采的低品位鈾礦,也有經濟開采的價值,可以充分滿足人類幾百年內對能源的需求。美國等!)國確定的新能源發展計劃中,快中子增殖堆是重點發展的堆型。除現行的鈉冷快中子增殖堆外,還在發展氣冷快中子增殖堆、鉛冷快中子增殖堆等。

核電站的堆型按照用途來分,可分為動力堆、生產堆、研究堆、特殊用途堆等;按照冷卻劑和慢化劑來分,又可分為輕水堆、重水堆、石墨氣冷堆、石墨水冷堆、高溫氣冷堆、快中子增殖堆等(見圖2)

核能發電的工作原理

在目前,核電站中以壓水堆、沸水堆所占的比例最大,分別占60%和20%,重水堆約占10%,其它堆占10%。

除上述核裂反應堆這外,目前全世界正在投入大量的人力、物力研制核聚變反應堆。當2個輕原子核結合成一個較重的原子核時,也會釋放能量。我們稱這種結合為聚變,釋放出的能量稱為聚變能。在人工控制下的聚變為受控聚變,在受控聚變的情況下釋放能量的裝置,稱為聚變反應堆。聚變能是一種更加安全、清潔、經濟的能源,且有可能實現能量直接轉換,具有極高的熱效率。不僅輕原子核聚變時,每1千克聚變燃料釋放的能量多,更重要的是,地球上聚變燃料的儲量比裂變燃料儲量豐富得多。氘、氚聚變所釋放的能量,是同等質量鈾-235裂變所釋放能量的4倍。而且,海洋中有取之不盡的氘,海水中氘含量為34毫克/升,地球上總含氘量多達40萬億噸,可供人類用50億年以上。氚可用鋰(鋰-6)來生產,自然界中鋰也很豐富,所以聚變能發電是更理想的能源。國際核聚變專家們樂觀估計,本世紀下半葉可以實現聚變反應堆商業發電。

核能發電的工作原理

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歐盟作為全球首個碳排放權交易體系,于2005 年正式啟動,2019 年已經進入第三個運行階段的后期,....
的頭像 牽手一起夢 發表于 04-26 17:03 ? 2577次 閱讀
2020年中國全國碳市場建設進展及未來展望

希臘為替換柴油發電,部署了第二個微電網

希臘的阿陀斯山是一個半島,島上有20座東正教修道院,共有2000個僧侶。今年,阿陀斯半島東北部的瓦托....
的頭像 獨愛72H 發表于 04-23 23:04 ? 1186次 閱讀
希臘為替換柴油發電,部署了第二個微電網

2020年1-3月累計發電量23.05億千瓦時,同比減少15.57%

4月13日消息,新集能源(601918)近日發布2020年第一季度經營數據公告,公告顯示,根據上海證....
的頭像 牽手一起夢 發表于 04-14 15:13 ? 1768次 閱讀
2020年1-3月累計發電量23.05億千瓦時,同比減少15.57%

2020-2023年間全球垃圾發電復合年均增長率達到3.3%

日前,中國能源報報道稱,英國商業信息咨詢機構Visiongain日前發布最新報告稱,2019年,全球....
的頭像 牽手一起夢 發表于 03-27 16:47 ? 1062次 閱讀
2020-2023年間全球垃圾發電復合年均增長率達到3.3%
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