爱华网核电的能量从何而来
郁祖盛
2011．3
核电——世界三大电力之一
核电与火电、水电一起，是世界上三大电力支柱，目前核能发电约占全世界总发电量的16%，核电是当今世界上大规模可持续供应的主要能源之一。
发展核电的优越性
核电是一种安全、经济、清洁、可靠的能源，不排放导致全球变暖的温室气体二氧化碳和污染环境的二氧化硫等气体，有利于环境保护。发展核电可以减轻燃料运输压力，一座百万千瓦级火电厂每年约消耗300万吨原煤，而一座同样功率的核电站全年只需要约25吨核燃料组件。从满足电力需求，调整能源结构，优化能源布局，振兴装备制造业，促进高科技产业，保障能源安全等角度看，核电也有很大的优越性。
世界核电发展概况
截止2009年11月底，全世界共有436台运行中的核电机组（另有7台长期关闭），总装机容量达3.7亿千瓦，有44台建设中的核电机组。
美国有运行核电机组104座、总装机容量1亿千瓦；法国有运行核电机组59座、总装机容量6326万千瓦；日本有运行核电机组55座、总装机容量4759万千瓦。
注：1.摘录自国际原子能机构截至2009年11月底的统计信息。
2.不包括长期关闭的5台机组。
核电站靠核燃料发电
核电厂与火电厂都用蒸汽推动汽轮机、带动发电机发电，区别在于火电厂依靠燃烧化石燃料释放的热能来产生蒸汽，核电厂则依靠核燃料的核裂变反应释放的核能来产生蒸汽。
核电厂常用的核燃料是铀-235，一吨铀-235的原子核裂变可以释放出相当于二百七十万吨标准煤燃烧所放出的能量。
沸水堆核电厂将核能转换为电能的工作原理图
压水堆核电厂将核能转换为电能的工作原理图
裂变的产生和控制
u裂变：
原子核吸收一个中子后，分裂成两个质量相近的核素。同位素233U、235U、239Pu、241Pu在各种能量的中子作用下都能发生裂变，因此称为易裂变同位素（裂变
u链式反应
如果每次裂变产生的中子数目（2.5个）在减去一个核裂变循环所消耗的中子数目后，还剩余一个中子，那么有可能在没有外中子源的情况下，使得裂变不断持续下去。这样的裂变反应称为自续链式裂变反应。
u临界：
n定义有效增殖系数keff，以方便地表示自续链式裂变反应的条件。
n若堆芯的有效增殖系数恰好等于1，则堆内中子的产生率等于消失率，系统内进行的链式裂变反应将以恒定的速率进行下去。这种系统称为临界系统。
nkeff<1，次临界系统。
nkeff>1，超临界系统。
n使keff=1时的条件称为临界条件。
n调整反应堆堆芯的大小，使其处于临界状态，此时的芯部尺寸称为临界尺寸。
n对应情况下芯部装载的燃料质量称为临界质量。
核临界状态
u控制
n通过控制棒来吸收中子来控制或中止链式反应。压水型反应堆采用银、銦、镉合金作为控制棒中的中子吸收材料，而沸水型反应堆采用碳化硼作为控制棒中的中子吸收材料。
n另外，在反应堆冷却剂-纯水（同时也作为链式反应的慢化剂）中加入硼酸（硼具有吸收中子的能力）作为反应性调节的补充手段。
核裂变的能量导出
n核电厂的能量来自于核素（如铀235，235U）的可控自续链式裂变反应。
铀-235核裂变释放出的能量
n核裂变的能量来自质量向能量的转换,即基于著名的爱因斯坦公式:
E=mc2
n原子核的质量总是小于它的所有的质子和中子的质量之和,因此当铀235核分裂成二个碎片核时,就有多余的质量转化为能量。
n一个铀235原子核裂变，产生200Mev兆电子伏能量;一个碳原子燃烧，产生4.1ev(电子伏)能量;二者相差五十万倍。
n1Kg铀裂变释放能量195,500,000Kwh,1kg煤燃烧释放能8Kwh。
n100万千瓦电功率(热功率300万千瓦)核电站每天消耗铀235为3.69kg,而同样功率的煤电站每天消耗9000吨标准煤。
n一座百万千瓦级火电厂每年约消耗300万吨原煤，而一座同样功率的核电站全年只需要约25吨核燃料组件。
裂变能转化为电能
n裂变碎片及其它裂变产秒的动能在运动中转化成热能，包括穿透能力较強的裂变产物γ穿过慢化剂（水）和结构物时转化的热能.
n热能使燃料棒温度升高，高压水把热量带走.
n升温后的高压水在蒸汽发生器内将热量传给二次水，使之变成高压饱和蒸汽.
n蒸汽带动汽轮发电机发出电能.
确保核安全是和平利用核能的前提
核电厂安全的特殊性
n具有潜在风险
u使人体受到过量的辐射照射
u放射性核素进入环境造成辐射污染
n核素的链式反应停止后，仍有衰变热需要排出
n放射性核素的无害化---衰变（某些核素的衰变周期时很长）
核安全的基本概念
n什么是核安全
所谓“核安全”是指：完成正确的运行工况、事故预防或缓解事故后果从而实现保护厂区人员、公众和环境免遭过量辐射危害。
u安全目标（详见HAF102核动力厂设计安全规定）
l总的核安全目标：在核动力厂中建立并保持对放射性危害的有效防御，以保护人员、社会和环境免受危害。
l总的核安全目标由辐射防护目标和技术安全目标所支持，这两个目标互相补充、相辅相成，技术措施与管理性和程序性措施一起保证对电离辐射危害的防御。
Ø辐射防护目标：保证在所有运行状态下核动力厂内的辐射照射或由于该核动力厂任何计划排放放射性物质引起的辐射照射保持低于规定限值并且合理可行尽量低，保证减轻任何事故的放射性后果。
Ø技术安全目标：采取一切合理可行的措施防止核动力厂事故，并在一旦发生事故时减轻其后果；对于在设计该核动力厂时考虑过的所有可能事故，包括概率很低的事故，要以高可信度保证任何放射性后果尽可能小且低于规定限值；并保证有严重放射性后果的事故发生的概率极低。
n为了保证核安全对核电厂总的安全要求是：
（1）必须为在某些运行工况和事故工况期间和之后的安全停堆和维持安全停堆状态提供必要的手段；(停堆)
（2）必须为在某些运行工况和事故工况期间和之后，为停堆后从堆芯排出余热提供必要的手段；(排出余热)
（3）必须为减少可能的放射性物质释放、为保证运行工况期间和之后的任何释放不超过规定限值、事故工况期间和之后的任何释放不超过可接受的限值提供必要的手段。(限制放射性物质释放)
n核电厂的基本安全功能
（1）反应性控制反应堆功率可控（包括：停堆）
（2）余热排出燃料有效冷却
（3）放射性包容放射性无泄漏
n核动力厂的风险水平
风险=事件发生的概率´事件的后果
美国核管会在其安全目标的政策声明中提出:
·由于核电厂运行导致其周围居民立即死亡的风险不超过所有可能导致其死亡的社会风险的千分之一；
·由于核电厂运行导致其周围居民患癌症的风险不超过所有可能导致其患癌症的社会风险的千分之一。
研究表明，核电厂的大规模放射性释放频率低于10-6/堆·年即可满足这两个风险指标。
n纵深防御与多层屏障（详见HAF102核动力厂设计安全规定）
u纵深防御
l纵深防御概念贯彻于安全有关的全部活动，包括与组织、人员行为或设计有关的方面，以保证这些活动均置于重叠措施的防御之下，即使有一种故障发生，它将由适当的措施探测、补偿或纠正。在整个设计和运行中贯彻纵深防御，以便对由厂内设备故障或人员活动及厂外事件等引起的各种瞬变、预计运行事件及事故提供多层次的保护。
u多层屏障
l第一道屏障∶燃料元件包壳（锆合金）
l第二道屏障∶反应堆一回路压力边界，包括反应堆压力容器
l第三道屏障∶安全壳
见下面图示。
燃料组件在压水堆核电厂
反应堆压力容器的堆芯内
参考文献：
［1］国家核安全局HAF102《核动力厂设计安全规定》2004.7
［2］林诚格主编、郁祖盛副主编、欧阳予主审《非能动安全先进压水堆核电技术》2010.5，原子能出版社，ISBN978-7-5022-4887-1
［3］王涛《反应堆物理》2006上海交通大学
