1、关于核电站知识普及3一、核电技术的演变:截止到2007年底，全世界共有核反应堆434座，在建35座。其中大多数为第二代核电站，在建核反应堆大多为第三代，第三代技术主要包括欧盟的ERP和美国的AP1000。第四代核电合作项目中有6种设计概念，包括三种快中子堆和三种热中子堆。三种快中子堆是:带有先进燃料循环的钠冷快堆、铅冷快堆和气冷快堆，三种热中子堆是:超临界水冷堆、超高温气冷堆和熔盐堆。核电站主要有两种堆型:气冷堆和水冷堆。其中气冷堆经历了三个发展阶段:天然铀气冷堆、改进型气冷堆、高温气冷堆。水冷堆可分为三种类型:压水堆、沸水堆、重水堆。核电是清洁安全能源。在相同功率的情况下，核电站排放到环境中
2、的有害物质比火电厂要少得多。核电站对周围居民的辐射影响，远远低于燃煤电厂和天然辐射，是安全而清洁的能源。A.核电技术的历史、现状及未来1.1核能发电的理论根源1938年，德国科学家奥托哈恩发现了核裂变现象。当中子撞击铀原子核时，一个铀核吸收了一个中子可以分裂成两个较轻的原子核，在这个过程中质量发生亏损，因而放出很大的能量，并产生两个或3个新的中子。这就是举世闻名的核裂变反应。在一定的条件下，新产生的中子会继续引起更多的铀原子核裂变，这样“一代代“传下去，像链条一样环环相扣，科学家将其命名为链式裂变反应。链式裂变反应释放的核能叫做核裂变能。如果加以人为的控制，在铀的周围放一些强烈吸收中子的“中子
3、毒物“(主要是硼和镉)，使一部分中子还没有被铀核吸收引起裂变时，就先被“中子毒物“吸收，这样就可以使核能缓慢地释放出来。实现这种过程的设备叫做核反应堆。由于战争的爆发，核研究被提上了议事日程。在北美，费米找了一个芝加哥大学废弃的露天运动场，用石墨块和铀棒组成的材料建立了一个反应堆，它于1942年12月2日达到临界，费米成功地演示了链式反应可以持续数分钟。此后，美国运用链式反应原理，设计并制造了几座大型反应堆。从1941年开始，美国着手建立用于第一颗原子弹爆炸式链式反应，曼哈顿计划的辉煌以1945年在阿拉莫斯的首爆为标志，随后在广岛和长崎上空进行了爆炸。1.2第一代核电站自50年至60年代初苏联
4、、美国等建造的第一批单机容量在300MWe左右的核电站，第一代核电厂属于原型堆核电厂，主要目的是为了通过试验示范形式来验证其核电在工程实施上的可行性。1.3第二代核电站第二代核电厂主要是实现商业化、标准化、系列化、批量化，以提高经济性。自60年代末至70年代世界上建造了大批单机容量在600-1400MWe的标准化和系列化核电站，以美国西屋公司为代表的Model212、System80(1050MWe，2环路压水堆)以及一大批沸水堆(BWR)均可划入第二代核电站范畴。法国的CPY，P4，P4也属于Model312，Model414一类标准核电站。日本、韩国也建造了一批Model412、BWR、S
5、ystem80等标准核电站。第二代核电站是目前世界正在运行的433座核电站(2007年12月底统计数)主力机组，总装机容量为3.72亿千瓦。还共有35台在建核电机组，总装机容量为0.278亿千瓦。在三里岛核电站和切尔诺贝利核电站发生事故之后，各国对正在运行的核电站进行了不同程度的改进，在安全性和经济性都有了不同程度的提高。1.4第三代核电站对于第三代核电站类型有各种不同看法。美国核电用户要求文件(URD)和欧洲核电用户要求文件(EUR)提出了下一代核电站的安全和设计技术要求，它包括了改革型的能动(安全系统)核电站和先进型的非能动(安全系统)核电站，并完成了全部工程论证和试验工作以及核电站的初步
6、设计，它们将成为下一代(第三代)核电站的主力堆型。System80+虽已通过美国核管会批准，但由于安全系统应用非能动太少，美国已放弃使用。美国西屋公司的AP1000和法国阿海珐公司(AREVA)的EPR虽都满足第三代核电机组的设计要求，但法国EPR它的能动安全系统比传统的能动安全系统更加复杂，不如AP1000的非能动安全系统先进。美国西屋公司设计的AP1000是在其AP600的基础上发展起来的，已可进行商业化应用。AP1000是得到美国核管会最终设计批准(FDA)的GEN-+核电站，属于第三代革新型先进PWR(压水堆)核电站。AP1000通过独特的非能动安全系统设计，使反应堆设计更加简单，堆芯
7、损毁概率可忽略不计，提高了核电站的安全性和可靠性;实行模块化设计与建造，有利于提高核电站建造质量和标准化程度;配备行业最先进的全数字化仪表和控制系统，使核电站的运营更加简便。中国已引进此技术，在浙江三门和广东阳江建造四台核电机组，作为第三代核电自主化依托工程。法国阿海珐公司(AREVA)开发了一种大型的欧洲压水反应堆(EPR)，在1995年年中确定作为法国新的标准设计。1.5第四代核电站第四代核能系统概念(有别于核电技术或先进反应堆)，最先由美国能源部的核能、科学与技术办公室提出，2000年1月，美国能源部发起并约请阿根廷、巴西、加拿大、法国、日本、韩国、南非和英国等9个国家的政府代表开会，讨
8、论开发新一代核能技术的国际合作问题，取得了广泛共识，并发表了“九国联合声明“。第四代核电合作项目中有6种设计概念，包括三种快中子堆和三种热中子堆。三种快中子堆是:带有先进燃料循环的钠冷快堆(SFR，Sodium-cooledfastreactor)、铅冷快堆(LFR，Lead-cooledfastreactor)和气冷快堆(GFR，Gas-cooledfastreactor)，三种热中子堆是:超临界水冷堆(SCWR，Supercriticalwater-cooledReactor)、超高温气冷堆(VHTR，Very-high-temperaturegas-cooledreactor)和熔盐堆(
9、MSR，Moltensaltreactor)。这些设计特点都改进了经济性，增强了安全性，使废物和防止核扩散燃料循环最小化。在所有第四代反应堆概念中，钠冷快堆具有最广泛的开发基础，美、法、俄、日和其他国家已做了大量研究工作。1951年以来，SFR已在8个国家取得了300堆年以上的运行经验。目前在役的钠冷快堆有俄罗斯的BN-600快堆，法国的250MW凤凰快堆和印度的40MW快中子增殖实验堆(FBTR)。B.核电站堆型比较我们根据冷却方式的不同将核电站分为两种类型:一是气冷堆，二是水冷堆。其中气冷堆经历了三个发展阶段:天然铀气冷堆、改进型气冷堆、高温气冷堆。水冷堆可分为三种类型:压水堆、沸水堆、重
10、水堆。2.1气冷堆:重新崛起后难以打开市场气冷堆是指用石墨慢化、二氧化碳或氦气冷却的反应堆。用二氧化碳冷却的石墨气冷堆，曾在核电站的发展中占领先地位，但很快就让位于轻水堆，并将逐渐退出反应堆的历史舞台。目前关于气冷堆的研究，越来越集中在用氦气冷却的高温气冷堆上。然而高温气冷堆技术上比较复杂，造价高，一时还难以推广。天然铀气冷堆原称镁诺克斯堆。以金属天然铀为燃料，二氧化碳为冷却剂。它的堆心由精纯的石墨块堆砌而成。在石墨砌体中有许多装有棒状燃料元件的通道，以便加压的冷却剂流过，将堆内的热量带出。为了改善传热，燃料元件包壳上带有许多肋片。从堆心出来的热气体在蒸汽发生器中将热量传给二回路内的水以产生蒸
11、汽，然后借助于循环风机将二氧化碳冷却剂压送回堆心。整个堆心包容在一个钢制或预应力混凝土的压力壳内。第一座天然铀气冷堆电站是1956年开始运行的英国卡德蒙尔核电站。这种堆型的最大优点是采用价廉易得的天然铀;缺点是功率密度低，堆心体积大，造价高，同时受金属铀和镁合金许用温度的限制而使冷却剂的出口温度只能达到400左右。因而所产生的蒸汽参数较低,核电站的热效率仅为30%左右。因此，在60年代末便不再建造此种堆了。改进型气冷堆(AGR):为了提高冷却剂的堆心出口温度和蒸汽发生器传热效率，从而提高二回路的蒸汽参数和热效率，将燃料元件的包壳改用不锈钢，燃料改用二氧化铀。由于采用这些材料会使堆内的有害中子吸
12、收增大,因此需将二氧化铀中的丰度提高到23%,即使用低浓铀燃料。其堆心结构与天然铀气冷堆类似，但蒸汽发生器布置在反应堆四周并一起包容在预应力混凝土压力壳内。二氧化碳冷却剂的堆心出口温度为650左右。英国自1965年起已建造了14座改进型气冷堆，装机容量8658MWe。高温气冷堆用氦气作冷却剂，石墨作慢化材料，采用包覆颗粒燃料和全陶瓷的堆芯结构材料。采用氦气作为冷却剂以替代二氧化碳是因为氦气传热性能好。高温气冷堆具有三个优点:安全性好。高温气冷堆是国际核能界公认的一种具有良好安全特性的堆型。美国电力研究所(EPRI)制定的电力公司用户要求文件提出的先进轻水堆的堆芯融化概率设计要求为10-5/堆.
13、年。模块式高温气冷堆(MHTR)为革新型的堆型，其估计的堆芯熔化概率低于10-7/堆.年，远小于先进轻水堆堆芯熔化概率的要求。高温气冷堆采用优异的包覆颗粒燃料是获得其良好安全性的基础。铀燃料被分成为许多小的燃料颗粒，每个颗粒外包覆了一层低密度热介碳，两层高密度热介碳和一层碳化硅。包覆颗粒直径小于1mm，包覆颗粒燃料均匀弥散在石墨慢化材料的基体中，制造成直径为6cm的球形燃料元件。包覆层将包覆颗粒中产生的裂变产物充分地阻留在包覆颗粒内，实验表明，在1600的高温下加热几百小时，包覆颗粒燃料仍保持其完整性，裂变气体的释放率仍低于10-4。燃料循环灵活。核燃料转换比高和燃料的燃耗深。高温气冷堆不仅可
14、以使用高浓铀+钍燃料，也可使用低浓铀燃料。燃料的燃耗深度可达10万兆瓦/比。因此燃料的经济性好,燃料成本低。发电效率可提高。模块式球床型高温气冷堆采用了余热非能动载出的特性，虽大大地增强了安全性，但是其单堆的功率受到了很大的限制。由于球床型高温气冷堆可以提供950的高温氦气，充分利用其高温氦气的潜力获得更高的发电功率是提高其经济竞争力的主要发展方向。氦气透平直接循环方式是高温气冷堆高效发电的主要发展方向。2.2水冷堆:压水堆核电站是主流压水堆核电站以浓缩铀为燃料，以普通水作为慢化剂。浓缩铀棒内发生裂变反应，产生热量，主回路的水与燃料棒相接触就被加热。热水进入蒸汽发生器，此处二回路系统的水再通过
15、管束与之相接触而转化为蒸汽，蒸汽推动汽轮发电机发电。然后在蒸汽进入凝汽器由外界河水或海水进行冷却，这个系统中反应堆主系统被隔离在压力容器里并与运行汽轮发电机的回路系统完全分离，从而提高安全水平并便于运行。沸水堆又叫轻水堆，沸水堆核电站工作流程是:冷却剂(水)从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒那里得到了热量，使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电。沸水堆是由压力容器及其中间的燃料元件、十字形控制棒和汽水分离器等组成。汽水分离器在堆芯的上部，它的作用是把蒸汽和水滴分开、防止水进入汽轮机，造成汽轮机叶片损坏。沸水堆所用的燃料和燃料
16、组件与压水堆相同。沸腾水既作慢化剂又作冷却剂。沸水堆与压水堆不同之处在于冷却水保持在较低的压力(约为70个大气压)下，水通过堆芯变成约285的蒸汽，并直接被引入汽轮机。所以，沸水堆只有一个回路，省去了容易发生泄漏的蒸汽发生器，因而显得很简单。轻水堆核电站的最大优点是结构和运行都比较简单，尺寸较小，造价也低廉，燃料也比较经济，具有良好的安全性、可靠性与经济性。它的缺点是必须使用低浓铀，目前采用轻水堆的国家，在核燃料供应上大多依赖美国和独联体。此外，轻水堆对天然铀的利用率低。如果系列地发展轻水堆要比系列地发展重水堆多用天然铀50%以上。重水堆则主要是由加拿大原创开发的专门用于核能发电的压力管式重水
17、反应堆，也叫CANDU(坎杜)堆。第一座示范CANDU堆于1962年建成并投入运行。CANDU机组大部分建在加拿大，近年来发展到韩国、阿根廷、罗马尼亚和中国等6个国家。我国大陆已建成和在建共有11台核电机组，其中秦山三期核电站的两台机组采用CANDU堆，其余都用压水堆。目前的重水堆核电站所使用的冷却水是重水，在新一代先进重水堆设计中，冷却水将采用轻水，而重水的用途只限于作慢化剂，因而绝大部分重水可以省掉。以重水作为慢化剂可以减少中子的浪费，因此重水核电站可以天然铀作为燃料，而无须建设浓缩铀厂。重水堆采用不停堆换料运行方式，省去了轻水堆每年一次的停堆换料时间，有利于提高电站的利用率，目前，在全世
18、界运行的核电站中，重水堆电站的年容量因子最高。重水堆核电站的工作流程是:燃料产生的裂变热量传输给流过燃料通道的加压重水冷却剂，冷却剂通过闭合回路将热量带到蒸汽发生器，将热量传输给轻水。轻水沸腾产生蒸汽，驱动汽轮机和与其相连的发电机，使发电机发电。蒸汽离开汽轮机后冷凝成水，并返回到蒸汽发生器进行再循环。二、海阳核电站指标:1、主业单位:中电投集团(中国电力投资集团)2、电站名称:山东海阳核电站3、额定功率:2X125万千瓦4、核反应堆型:AP1000(第三代核电技术)三、什么是AP1000技术?1、AP1000核电技术概述AP1000核电技术，是中国第三代核电自主技术，中国引进美国西屋电气公司的
19、技术消化吸收再创新和自主创新，在世界上率先掌握了第三代核电AP1000的五大核心关键技术。AP1000核电技术是目前唯一一项通过美国核管理委员会最终设计批准的第三代核电技术，这是目前全球核电市场中最安全、最成熟的商业核电技术(还有未全面商业化推广的最先进的第四代核电技术)。2、工作原理AP1000是一种先进的“非能动型压水堆核电技术“。用铀制成的核燃料在“反应堆“的设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压下的水把热能带出，高压热水进入蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方。采用这一原理的核电技术就是压水堆核电技术。3、核心技术a
20、)核岛筏基大体积混凝土一次性整体浇注技术、b)核岛钢制安全壳底封头成套技术、c)模块设计和制造技术、d)主管道制造技术、e)核岛主设备大型锻件制造技术。4、技术特点1、世界市场现有的最安全、最先进、经过验证的核电站(保守概率风险评估(PRA):堆芯损毁概率为可忽略不计的2.5x10-7)。2、唯一得到美国核管会最后设计批准(FDA)的新三代+核电站。3、基于标准的西屋压水反应堆(PWR)技术，该技术已实现了超过2,500反应堆年次的成功的运营。4、1100MWe设计，对于提供基本发电负荷容量很理想。5、模块化设计，有利于标准化并提高建造质量。6、更经济的运营(更少的混凝土和钢铁，更少零部件和系统，意味着更少的安装、检测和维护)。7、更简便的运营(配备行业最先进的仪表和控制系统)。8、符合美国用户要求文件(URD)对新一代商用反应堆的要求。
