国内外核电发展现状和前景

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国内外核电发展现状和前景CNPE 研究员级高工 曹瑞鼎

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核

电 站

核电站是利用原子核内蕴藏的能量大规模生产电力的新型发电站.他 大体上可以分为三部分:一部分是利用核能产生蒸汽的核岛 NI,包括核 反应堆和一回路系统;另一部分是利用蒸汽发电的常规岛 CI ,包括汽轮 发电机系统,这一部分与普通火电厂大同小异;第三部分是为核岛,常规 岛服务的配套系统 BOP. 核电站使用的燃料称为核燃料,核燃料含有易裂变物质铀-235,一座100 万千瓦的核电站每年只需要补充25顿左右的核燃料,而同样规模的烧 煤电厂每年需要烧煤300万顿. 目前国际上技术最成熟的核岛设计多采用压水式反应堆. 当前我国已 建成正在运行的11座发电堆中,9座是加压轻水堆,2座是加压重水堆 他 们全建在沿海地区. 压水堆核电站使用核燃料在 反应堆内发生裂变,产生大量热能，再用处 于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动气 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。这就是最普通的压水反应堆核电站的工作原理。 .

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1 核能基础1) 原子和原子核: 一切物质都是由原子组成的,原子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;原子核一般由质子和中子组成; 同一种元素的原子具有相同的化学性质,他们的原子核中质子数相同, 但中子数可能不同. 2) 链式裂变反应:裂变反应是由中子引起的,反应的结果又产生 新的中子,如果能利用新的中子引起新的核裂变,裂变反应就能连续不断 的进行下去,这就是链式裂变反应. 50多年前,科学家发现铀-235原子核在吸收一个中子后能分裂,放出2~ 3个中子,同时放出大量能量(核裂变能). 3) 铀是自然界中原子序数最大的元素,,地壳中含量约为4百万分之一.天然 铀由3种同位素构成,其中铀-235站0.71%,铀-235原子核裂变放出的能 量是同量煤燃烧放出能量的270万倍.

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( 1 ) 核 裂 变 : 一 些 重 元 素 ( 如 铀 2 3 5 、 钚 2 3 9 ) 的 原 子 核 在 一 个 中 子 轰 击 下 , 分 裂 成 两 个 或 两 个 以 上 质 量 相 近

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4 )核反应堆 核反应堆核反应堆通常指裂变反应堆，即用于产生自身维持和控制链式核裂变 反应的装量，因最初这种装量由石墨砖及含核燃料的石墨块堆砌成而 得名。 核反应堆是核电站的关键设备,链式裂变反应就在其中进行,反应堆的种 类很多,核电站中使用最多的是压水堆. 压水堆中首先要有核燃料,把小手指头大小的烧结二氧化铀芯块装到锆 合金管中,将2百多根装有芯块的锆合金管组装在一起,成为燃料组件. 每个组件中有一束控制棒,控制着链式裂变反应的急缓程度和反应的开 始和终止.

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5)

反应堆的结构形式和分类反应堆的结构形式是千姿百态的，它根据燃料形式、冷却剂种类、中子能量 分布形式、特殊的设计需要等因素可建造成各类型结构形式的反应堆。 目前 世界上有大小反应堆上千座，其分类也是多种多样。 按能谱分有由热能中子和快速中子引起裂变的热堆和快堆； 按能谱分 按冷却剂分有轻水堆，即普通水堆(又分为压水堆和沸水堆)、重水堆、气 按冷却剂分 冷堆和钠冷堆。 按用途分有：(1)研究试验堆：是用来研究中子特性，利用中子对 按用途分 物理学、生物学、辐照防护学以及材料学等方面 进行研究； (2)生产堆，主要是生产新的易裂变的材料铀-233、 钚-239; (3)动力堆，利用核裂变所产生的热能广泛用于舰船 的推进动力和核能发电。世界上动力反应堆可分 为潜艇动力堆和商用发电反应堆。核潜艇通常用 压水堆做为其动力装置。商用规模的核电站用的 反应堆主要有压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气 冷堆和快堆等。

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6 ) 核燃料循环：从 核燃料进入反应 堆前的制备，经 反应堆中燃烧和 随后的处理，直 至最终处置的过 程(见图3)

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2.世界核电发展现状 1954年苏联建成世界上第一座电功率5000KWe实验性核电 厂,1957年美国建成电功率9万KWe的希平港原型核电站以 来，世界核电已取得了长足发展。据统计，2006年全世界 正在运行的核电机组有441个(其中轻水堆核电机组约占 80%,重水堆核电机组约占8%,轻水堆核电机组中压水堆 机组占了76%,沸水堆机组约占34%),分布在31个国家 或地区，年发电量占世界总发电量的16%。另外，正在建 造的核电机组有25台。 目前，世界核电主要分布在北美(美国、加拿大)、欧 洲(法国、英国、俄罗斯、德国)和东亚(日本、韩国), 这8个国家的核电机组数量占全世界总和的74%,其装机容 量则占79.5%。核电装机容量排名前三位的美国、法国和 日本的核电机组之和占全世界的49.4%,装机容量占56.9% (见表2)

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表1

世界各国2006年核电装机容量及发电量统计 世界各国2006年核电装机容量及发电量统计 2006国家/地区 美国 加拿大 巴西 阿根廷 墨西哥 法国 英国 德国 瑞典 瑞士 西班牙 比利时 保加利亚 俄罗斯 乌克兰 运行机组数(台) 103 18 2 2 2 59 23 17 10 5 9 7 4 31 15 总装机容量(MWe) 104520 13360 2007 1005 1364 66130 12852 21366 9635 3372 7733 6092 2880 23242 13835 占总发电量比例(%) 19.3 14.6 2.5 6.9 5 78.5 19.9 31 46.7 32.1 19.6 55.6 44.1 15.8 48.5

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国家/地区 斯洛伐克 捷克 芬兰 匈牙利 荷兰 罗马尼亚 斯洛文尼亚 亚美尼亚 南非 中国大陆 中国台湾 韩国 日本 印度 巴基斯坦 立陶宛 伊朗 全世界

运行机

组数(台) 6 6 4 4 1 1 1 1 2 11 6 20 55 15 2 1 0 441

总装机容量(MWe) 2640 3581 2780 1866 481 706 707 408 1888 8958 4904 17716 48580 3310 462 1300 0 387680

占总发电量比例(%) 56.1 30.5 32.9 37.2 3.9 8.6 42.4 42.7 5.5 2.1 —— 44.7 29.3 2.8 2.8 69.6 0 ——

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美

国

美国第一座核电厂建成于 1975年12月。近50年来美 国总共建成商业核电机组 132台，除去已经关闭的28 台目前仍在运行的有103台， 居世界之最。它们分布在美 国的31个州(见图4)2006 年美国核能发电量约为7804 亿千瓦小时，占全国总发电 量的19.3%。

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美国核电发展的特点：开发阶段起步早，堆型多，建设阶段大起大落。 由于美国资金雄厚，早期采用多种堆型进行试验，经大量试验后，较 早地确定了轻水堆。 1975年美国核电发展达到顶峰，此前发展过猛，此后紧急刹车。美国 现有的核电机组全是早期建成的。三十多年来，美国没有新建一台核 电机组。 三里岛事故是促使美国核电发展急刹车的主要原因。这次事故虽然没 有造成环境污染，但给电力公司造成巨大经济损失。

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三里岛事故后，美国已经订货的核电机组停止制造，正在建造的下马，刚 刚建成的机组不让运行。 三里岛事故后，美国核安全标准变得过于苛刻，审批手续复杂，时间拖得 很长，造成建设周期延长，成本增加得让电力公司难以承受。 另外，燃料和高放废物最终处置问题也是困扰美国核电发展的大难题。美 国政府经过二十年的努力才落实最终处置场，定点在内华达州尤卡山。 经过三十多年的停顿后，目前美国核能事业正在复苏。在核燃料循环方面， 美国过去一直是采用开式循环，燃料暂存不经过处理直接送到最终处置库。 为了减少环境污染，降低最终废物处置量，目前美国正在改变核燃料循环 技术路线，积极开发先进的后处理技术。