核能概述.ppt

商用核能商用核能于于 涛涛核科学技术学院核科学技术学院核能：利用核裂变和核聚变反应释放出能量的原理，核能：利用核裂变和核聚变反应释放出能量的原理，开发出能源或动力装置和核武器。开发出能源或动力装置和核武器。主要应用有：主要应用有：核电站、核潜艇、原子弹、氢弹和中子弹。核电站、核潜艇、原子弹、氢弹和中子弹。第一节第一节 核能从哪里来核能从哪里来？爱因斯坦的贡献爱因斯坦的贡献质量亏损质量亏损能量的来源能量的来源原子核的结合能原子核的结合能各类能量的比较各类能量的比较爱因斯坦的贡献爱因斯坦的贡献质能关系质能关系E=MC2一个美丽的姑娘伴你对坐一小时，你好像觉得只有一分种似的短暂；要是你在火炉上坐一分钟呢？你又觉得像有一小时那样长了！物体的质量是它所包含的能量的物体的质量是它所包含的能量的一种度量一种度量 物体的惯性与它的质量有关吗？举例举例:1g质量的能量是，E=10-32.997810828.98751018(J)1u(原子质量单位)的能量是,E=1.660510-272.997810828.98751018(J)=931.5(MeV)一些粒子的能量和质量一些粒子的能量和质量 粒子静止质量m0(u)能量m0 c2(MeV)电子 e0.0005485 0.5110034 质子 p1.0072764 938.2796 中子 n1.0086650 939.5731 氘核 d2.0135530 1875.628 氚核 t3.0155010 2808.944 氦核 4.0015060 3727.409质量亏损质量亏损氦原子核（氦原子核（4 4HeHe）由由2 2个质子个质子 +2+2个中子构成个中子构成 2 2个质子质量个质子质量 +2+2 个中子质量个中子质量 =原子核原子核 4 4He He 的质量的质量 2 2 x 1.007276+2 x 1.008665x 1.007276+2 x 1.008665-4.002603 4.002603 M(M(4 4He)=He)=4.031882 4.031882 -4.002603 4.002603=-0.029279 u-0.029279 u E(E(4 4He)=He)=M(M(4 4He)CHe)C2 2=27.27=27.27 MeVMeV亏损的质量转化为能量亏损的质量转化为能量 氦原子核的结合能是氦原子核的结合能是 27.27 27.27 MeV MeV 亏损的亏损的质量哪里去了质量哪里去了?能量的来源能量的来源原子核的结合能原子核的结合能定义定义实验发现，任何原子核的质量亏损总是大于零，表明由自由核子结合成原子核时，有能量释放出来。原子核平均结合能原子核平均结合能(比结合能比结合能)曲线曲线1 1 各原子核中，每个各原子核中，每个 核子的平均结合能核子的平均结合能 随质量数而变化随质量数而变化 6-9 6-9 MeVMeV2 2 中等重量的原子核中等重量的原子核 的比结合能较大的比结合能较大l 释放能量途径释放能量途径:1 1）重核裂变）重核裂变 2 2）轻核聚合成原子核）轻核聚合成原子核 重核裂变重核裂变轻核聚合轻核聚合252Cf自发裂变自发裂变中子引起中子引起 235U 裂变裂变 H H 原子核聚合原子核聚合 H H 的燃烧的燃烧太太阳阳能能释放能量举例释放能量举例例：估算裂变释放的能量例：估算裂变释放的能量 n+235U(236U)X+Y+E假设裂变成质量相等的两块假设裂变成质量相等的两块 质量数各约为质量数各约为118118 235 235U U 核子平均结合能核子平均结合能 7.6 7.6 MeVMeV 质量数为质量数为118118的原子核平均结合能的原子核平均结合能 8.6 8.6 MeVMeV 两者平均结合能差两者平均结合能差 1 1 MeV MeV 230230多个核子多个核子 总的总的 E=200 E=200 MeVMeV!比较比较:裂变能裂变能n+235UX+Y+E200MeV化学能化学能C+O2CO2+E4ev汽油与氧的爆炸，一个分子释放汽油与氧的爆炸，一个分子释放40-50eVTNT爆炸自身释放能量，每个分子爆炸自身释放能量，每个分子30eV第二节第二节 裂变能利用与核电站裂变能利用与核电站一、一、裂变反应堆原理裂变反应堆原理二、二、什么是核电站什么是核电站三、三、压水堆核电站压水堆核电站四、四、其他类型核电站其他类型核电站五、五、反应堆安全反应堆安全六、六、核电是安全经济的能源核电是安全经济的能源 世界上有机燃料的储量是有限的，总有一天要用完。世界上有机燃料的储量是有限的，总有一天要用完。全世界石油、天然气和煤炭的已探明储量，按目前的消全世界石油、天然气和煤炭的已探明储量，按目前的消耗水平来看，少则几十年，多的（如煤炭）也只能开采耗水平来看，少则几十年，多的（如煤炭）也只能开采几百年。而且，全世界对能源的需求量逐年在增加，照几百年。而且，全世界对能源的需求量逐年在增加，照目前能源需求的增长势头，如果我们仅依赖于石油或煤目前能源需求的增长势头，如果我们仅依赖于石油或煤炭这样一些化石燃料，终将会发生能源危机。炭这样一些化石燃料，终将会发生能源危机。化石能源所造成的环境污染也将严重危害人类的生存；化石能源所造成的环境污染也将严重危害人类的生存；风能、太阳能、水力发电都不同程度的受到地域、气风能、太阳能、水力发电都不同程度的受到地域、气候等的影响而不能成为最终能源；候等的影响而不能成为最终能源；人类需要可持续发展的能源人类需要可持续发展的能源核能！核能！一、裂变反应堆原理一、裂变反应堆原理235U+n90Kr+144Ba+2n+E.235U+n(236U)*原子核裂变的确认与液滴模型原子核裂变的确认与液滴模型细胞繁殖时的分裂现象原子核“液滴”模型多么像我在多么像我在显微镜下面显微镜下面看到的细胞看到的细胞繁殖时的分繁殖时的分裂现象啊！裂现象啊！阿诺德fission Energy from one U-235 FissionMeVFission fragment kinetic energy166Neutrons5Prompt gamma rays7Fission product gamma rays7Beta particles5Neutrinos10Total200 一公斤铀一公斤铀235全部裂变释放的能量，相当于全部裂变释放的能量，相当于2万吨梯恩梯炸药爆炸时放出的能量。万吨梯恩梯炸药爆炸时放出的能量。铀铀-235裂变释放的能量裂变释放的能量 一个中子把一个易裂变原子核轰击成两半，释放出能量，一个中子把一个易裂变原子核轰击成两半，释放出能量，同时又跑出两个以上中子同时又跑出两个以上中子裂变反应裂变反应链式裂变反应链式裂变反应 这些中子又去轰击更多的原子核，触发下一级裂变。这些中子又去轰击更多的原子核，触发下一级裂变。这样分裂，分裂，越来越猛烈的分裂。这样分裂，分裂，越来越猛烈的分裂。能量，能量，越来越多的能量。能量，能量，越来越多的能量。费米把这种现象称为费米把这种现象称为链式裂变反应。链式裂变反应。链式裂变反应链式裂变反应如何进行如何进行并维持呢并维持呢？此代裂变产生的中子总数与前一代裂变产生的中子总数的比值。此代裂变产生的中子总数与前一代裂变产生的中子总数的比值。如果裂变产生100个中子（第一代中子），经过慢化再引起下一次裂变，若产生102个中子（第二代中子），则K1.02。K K1 1 时为临界状态，需要的最小的裂变燃料数量叫做临界质量。时为临界状态，需要的最小的裂变燃料数量叫做临界质量。此时，中子数保持不变，链式反应可继续进行下去每秒钟内发生恒定的裂变数，每次裂变放出的能量也一定，这表明反应的功率保持一定水平不变。当当K K1 1时，中子数越来越多，功率在增加，这个状态称为超临界状时，中子数越来越多，功率在增加，这个状态称为超临界状态。态。当当K K1 1时，中子数越来越少，功率也在下降，这种状态称为次临界时，中子数越来越少，功率也在下降，这种状态称为次临界状态。状态。有效增值系数或再生系数有效增值系数或再生系数K K 裂变堆的发展历史裂变堆的发展历史1938年，德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现U原子的裂变现象，而且一个U原子裂变放出的能量（200Mev）比一个C原子氧化放出的能量（4.1ev）大5107倍，如此巨大的能量如何利用呢？1942年12月，意大利物理学家费米等在美国芝加哥大学建造了世界第一座人工裂变反应堆。美国又利用U-238转化成Pu-239原子弹装料，制造了钚原子弹，又利用反应堆作动力建造了核潜艇。20世纪40-50年代，裂变反应堆主要用于军事目的。50年代中期，世界上大量建造研究堆，同时用以发电。60年代中期起，许多国家大力发展核电站或核动力。裂变反应堆裂变反应堆费费米米研研制制的的第第一一座座裂裂变变堆堆裂变反应堆的组成裂变反应堆的组成 反应堆是一个能维持和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。反应堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。堆芯中的燃料堆芯中的燃料：反应堆的燃料，不是煤、石油，而是可裂变材料。燃料包壳燃料包壳：为了防止裂变产物逸出，一般燃料都需用包壳包起来，包壳材料有铝、锆合金和不锈钢等。控制与保护系统中控制与保护系统中的控制棒和安全棒：的控制棒和安全棒：为了控制链式反应的速率在一个预定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，称之为控制棒和安全棒。控制棒用来补偿燃料消耗和调节反应速率；安全棒用来快速停止链式反应。吸收体材料一般是硼、碳化硼、镉、银铟镉等。冷却系统中的冷却剂：冷却系统中的冷却剂：为了将裂变的热导出来，反应堆必须有冷却剂，常用的冷却剂有轻水、重水、氦和液态金属钠等。慢化系统中的慢化剂：慢化系统中的慢化剂：由于慢速中子更易引起铀-235裂变，而中子裂变出来则是快速中子，所以有些反应堆中要放入能使中子速度减慢的材料，就叫慢化剂，一般慢化剂有水、重水、石墨等。反射层：反射层：反射层设在活性区四周，它可以是重水、轻水、铍、石墨或其它材料。它能把活性区内逃出的中子反射回去，减少中子的泄漏量。屏蔽系统：屏蔽系统：反应堆周围设屏蔽层，减弱中子及剂量。辐射监测系统：辐射监测系统：该系统能监测并及早发现放射性泄漏情况。反应堆的结构形式和分类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；按冷却剂分按冷却剂分有：轻水堆，即普通水堆（又分为压水堆和沸水堆）、重水堆、气冷堆和钠冷堆。按用途分有按用途分有：（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。核电站就是利用一座或若干座动力反应堆所核电站就是利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行。在其中进行。二、什么是核电站二、什么是核电站 核电站工作原理核电站工作原理 核电厂用的燃料是铀。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，再用处于高压力下的水把热能带出，在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。三、压水堆核电站三、压水堆核电站 以压水堆为热源的核电站。它主要由核岛和常规岛组成。压水堆核电站核岛中的四大部件是蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯。在核岛中的系统设备主要有压水堆本体，一回路系统，以及为支持一回路系统正常运行和保证反应堆安全而设置的辅助系统。常规岛主要包括汽轮机组及二回等系统，其形式与常规火电厂类似。1反应堆：将核能转变为热能（高温高压水）；2蒸汽发生器：将一回路高温高压水中中的的热量传递给二回路的水，使其变为饱和蒸汽。3汽轮机：将饱和蒸汽的热能转变为高速旋转的机械能；4发电机：将汽轮机传来的机械能转变为电能。能量转换能量转换“四步曲四步曲”压水堆核电站流程示意图压水堆核电站流程示意图3.1一回路系统一回路系统一回路冷却剂的循环一回路冷却剂的循环:主泵主泵反应堆堆芯反应堆堆芯蒸汽发生器倒蒸汽发生器倒U U型管一次侧型管一次侧主泵主泵1、反应堆结构、反应堆结构作用：1、链式反应维持；2、热量导出；3、反应堆安全性。2、堆芯布置、堆芯布置分区装载、定期倒换分区装载、定期倒换3、燃料组件、燃料组件4、主泵、主泵作用：唧送冷却剂，强迫循环流动流量:1500020000m3/h5、稳压器、稳压器功能：功能：1、压力控制、压力控制2、超压保护、超压保护6、蒸汽发生器、蒸汽发生器作用：作用：1、作为热交、作为热交换设备，产换设备，产生蒸汽；生蒸汽；2、作为连接、作为连接设备，隔离设备，隔离一、二回路。一、二回路。大亚湾核电厂反应堆一回路系统的主要特性参数大亚湾核电厂反应堆一回路系统的主要特性参数 系统额定热功率：系统额定热功率：2905 2905 MWMW；工作压力：工作压力：15.5 15.5 MpaMpa；设计压力，设计压力，17.2317.23MPaMPa；现场水压现场水压试验试验22.9 22.9 MpaMpa，蒸汽发生器二次侧压力：蒸汽发生器二次侧压力：6.896.89MPaMPa 每条环路在冷态温度下的流量率每条环路在冷态温度下的流量率（热工设计流量率：（热工设计流量率：22840 22840 mm3 3/h/h）额定流量率：额定流量率：23790 23790 mm3 3/h/h，机械设计流量率：机械设计流量率：24740 24740 mm3 3/h/h ）满功率运行下的温度：（满功率运行下的温度：（堆芯入口堆芯入口292.4 292.4 ，堆芯出口，堆芯出口329.8 329.8 ，堆芯平均，堆芯平均310.0 310.0 ），压力容器设计温度：），压力容器设计温度：343 343 最佳预定工况下环路压力降：最佳预定工况下环路压力降：（反应堆：反应堆：0.323 0.323 MpaMpa，蒸汽蒸汽发生器：发生器：0.333 0.333 MpaMpa，管路：管路：0.051 0.051 MpaMpa，整个环路：整个环路：0.707 0.707 MPaMPa ）3.2二回路系统二回路系统1、功能、功能：将一回路提供的热能（高温高压将一回路提供的热能（高温高压蒸汽）转变为汽轮机高速旋转的蒸汽）转变为汽轮机高速旋转的机械能，带动发电机发电；机械能，带动发电机发电；在停机或事故工况下，保证一回在停机或事故工况下，保证一回路的冷却。路的冷却。蒸汽发蒸汽发生器生器高压缸高压缸汽水分离汽水分离再热器再热器低压缸低压缸冷凝器冷凝器低压加低压加热器热器除氧器除氧器高压加高压加热器热器凝结凝结水泵水泵主给主给水泵水泵大亚湾核电站汽轮发电机组大亚湾核电站汽轮发电机组除氧器水箱外型除氧器水箱外型发电机转子发电机转子发电机内定子发电机内定子发电机外定子发电机外定子输电塔输电塔核电站不会像原子弹爆炸，核燃料中的有效成分是铀235，铀235同样也是原子弹中的核炸药，那么核电站会不会像原子弹那样爆炸呢？不必担心，绝没有这种可能性！核燃料中铀235的含量约为3%，而核炸药中铀235含量高达90%以上。核燃料引不起核爆炸，正像啤酒和白酒都含有酒精，白酒因酒精含量高可以点燃，而啤酒则因酒精含量低却不能点燃一样。白酒与啤酒白酒与啤酒四、电站核安全四、电站核安全原子弹是由高浓度的（大于93%）裂变物质铀235或钚239和复杂而精密的引爆系统所组成的。通过引爆系统把裂变物质压紧在一起，达到超临界体积，于是瞬时形成剧烈的不受控制的链式裂变反应，在极短时间内，释放出巨大的核能，产生了核爆炸。而反应堆的结构和特性与原子弹完全不同，反应堆大都采用低浓度裂变物质作燃料，而且这些燃料都分散布置在反应堆内，在任何情况下，都不会像原子弹那样将燃料压紧在一起而发生核爆炸。而且，反应堆有各种安全控制手段，以实现受控的链式裂变反应。核电站与原子弹核电站与原子弹1、核安全定义及三要素、核安全定义及三要素核安全：保护核电厂工作人员、公众核安全：保护核电厂工作人员、公众和环境免受反应堆裂变产物可能造成和环境免受反应堆裂变产物可能造成的放射性危害。的放射性危害。保证核安全的三要素：保证核安全的三要素：（1）反应性控制）反应性控制（2）堆芯冷却）堆芯冷却（3）放射性产物的包容）放射性产物的包容放射性释放后的辐射影响和防护措施放射性释放后的辐射影响和防护措施碘，惰性气碘，惰性气体等体等冲洗，沉降冲洗，沉降吸入吸入食入食入2、三重屏障、三重屏障 核燃料裂变时既产生巨大的能量，也产生核燃料裂变时既产生巨大的能量，也产生大量的放射性裂变产物。为防止这些放射大量的放射性裂变产物。为防止这些放射性产物外逸，核电站设置了三重屏障：性产物外逸，核电站设置了三重屏障：（1）燃料包壳）燃料包壳（2）一回路压力边界）一回路压力边界（3）安全壳）安全壳（1）燃料包壳）燃料包壳 燃料芯块叠放装在燃料芯块叠放装在锆合金管中，把管锆合金管中，把管子封起来，组成燃子封起来，组成燃料元件棒。锆包壳料元件棒。锆包壳管能够把核燃料裂管能够把核燃料裂变产生的放射性物变产生的放射性物质密封住。质密封住。（2）一回路压力边界）一回路压力边界 燃料包壳万一破裂，燃料包壳万一破裂，放射性物质漏到冷却剂放射性物质漏到冷却剂中，但仍然在密闭的一中，但仍然在密闭的一回路系统中。回路系统中。这个密闭的一回路这个密闭的一回路系统又称一回路压力边系统又称一回路压力边界，主要包括壁厚为界，主要包括壁厚为200mm左右的压力容左右的压力容器和不锈钢管。主泵轴器和不锈钢管。主泵轴封和蒸汽发生器的倒封和蒸汽发生器的倒U型型管也是它的一部分。管也是它的一部分。(3)安全壳安全壳3、纵深防御原则、纵深防御原则 纵深防御是考虑到技术、人因及组织管纵深防御是考虑到技术、人因及组织管理上的失效而设立的多层次防御体系。理上的失效而设立的多层次防御体系。它包括四个层次：它包括四个层次：（1）预防预防（2）保护）保护（3）缓解）缓解（4）应急）应急（1）预防预防精心地设计、建造和运行核电厂，防精心地设计、建造和运行核电厂，防止发生故障，使放射性物质始终处于止发生故障，使放射性物质始终处于设计许可的位置并受到监控。设计许可的位置并受到监控。（2）保护）保护提供专设安全设施，防止异常和严重事提供专设安全设施，防止异常和严重事件演变为事故，从而导致放射性物质泄件演变为事故，从而导致放射性物质泄露出多道屏障，并防止这些屏障破损。露出多道屏障，并防止这些屏障破损。（3）缓解）缓解（4）应急）应急提供专设安全设施缓解事故，限制和尽提供专设安全设施缓解事故，限制和尽量减少放射性释放量。量减少放射性释放量。随时准备采取应急行动，在严重事故工况随时准备采取应急行动，在严重事故工况下保护厂外公众免受过量的辐射。下保护厂外公众免受过量的辐射。核电站安全性核电站安全性反应性控制放射性辐射防护反应堆堆芯余热的导出工艺放射性废物处置安全三道屏障停堆！环保！各种能源危险性比较各种能源危险性比较究竟哪一种能源系统对人类的健康造成的危险性更大呢？回答这一问题不能只从其大小和外观来看，必须用单位能量所造成的危险即对人类健康造成的总危险除以该能源系统产生的净能量来衡量，同时还要考虑到全部能量的循环，如果仅仅计算和比较部分系统造成的危险性是不能说明问题的。五、核电是安全、经济的能源五、核电是安全、经济的能源核电是洁净的能源核电是洁净的能源 除了经济效益以外，核电站还有多方面的社会效益。核电站在环境保护方面的贡献，其效应十分巨大。在我国，由于严重的环境污染和酸雨造成的经济损失平均每年就达370亿美元,占GDP的5%，从放射性排放及对公众健康的影响看，一座百万千瓦级压水堆核电站排放的放射性物质造成公众人均有效剂量约为0.018mSv/a，不到同样规模的燃煤电站0.048mSv/a的40%。如果综合考虑电厂的化学和放射性污染物所产生的影响，以致癌危险率表示的话，则核电站正常运行工况下的排放的致癌危险率只有3.410-8/(人.年)。比同等规模火电厂的影响低100倍常规电站核电站装机容量100万千瓦100万千瓦燃料300万吨优质煤3%铀-235的低浓铀燃料约24吨，或用天然铀燃料约120吨废物45万吨的煤渣2.2万吨氮化物4.4万吨硫氧化物（SO2）32万吨含400吨重金属的灰600万吨二氧化碳50万吨固体废物30吨的高放乏燃料800吨中、低放废物环保环境污染酸雨核电是经济的能源核电站单位造价成本高的原因，主要是核电站本身特点造成的安全成本和质量成本高，相同功率火电厂的1.31.5倍核电站运行成本低的主要原因，是核电发电总成本中的燃料和运行检修费用则明显地低于常规燃煤燃油电厂。发电成本却只有火电厂的三分之二到三分之一火电站污染严重火电站污染严重核电是清洁能源核电是清洁能源 五、其他类型核电站五、其他类型核电站 人们根据核电站使用冷却剂的不同将核电站分成不同的类型：1、目前，热中子堆中的大多数是用轻水慢化和冷却的所谓轻水堆。轻水堆又分为压水堆和沸水堆。沸水反应堆核电站沸水反应堆核电站重水反应堆核电站重水反应堆核电站 二十吨天然水中含有三公斤重水。重水和天然水（也就是轻水）的热物理性能差不多，因此作为冷却剂时，都需要加压。但是，重水和轻水的核特性相差很大。这个差别主要表现在中子的慢化和吸收上。在目前常用的慢化剂中，重水的慢化能力仅次于轻水，可是重水最大优点是它的吸收热中子的几率比轻水要低两百多倍，使得重水的“慢化比”远高于其他慢化剂。由于重水吸收热中子的几率小，所以中子经济好。以重水慢化的反应堆，可以采用天然铀作为核燃料，不必建造浓缩铀厂。优点：优点：由于重水慢化能力比轻水低，为了使裂变产生的快中子得到充分的慢化，堆内慢化剂的需要量就很大。再加上重水堆使用的是天然铀等原因，重水堆的堆芯体积比压水堆大十倍左右。虽然从天然水中提取重水，比从天然铀中制取浓缩铀容易，但是由于天然水中重水含量太低，所以重水仍然是一种非常昂贵的材料。由于重水用量大，所以重水的费用约占重水堆基建投资的六分之一以上。重水堆由于使用天然铀，后备反应性少，因此需要经常将烧透了的燃料元件卸出堆外，补充新燃料。经常为此而停堆，对于要求连续发电的核电站是不能容忍的。这就要求能不停堆装卸核燃料。缺点：缺点：高温气冷反应堆高温气冷反应堆 除了用水冷却外，还有用气体作为冷却剂的气冷堆。气体的主要优点是不会发生相变。缺点是气体的密度低，导热能力差，循环时消耗的功率大。为了提高气体的密度及导热能力，也需要加压。高温气冷堆的核燃料，是浓缩度为90以上的二氧化铀或碳化铀。首先用溶胶、凝胶法，将二氧化铀或碳化铀制成直径小于一毫米的小球。其外部包裹着热解碳涂层和碳化硅涂层。将这种涂层颗粒燃料与石墨粉均匀混合之后，外面再包一些石墨粉，就可制成棱柱形、圆柱形或珠形燃料元件。球形元件重叠时，彼此间有空隙可供气体流过。由于每颗燃料小球有多层包壳，而且每颗涂层燃料之间都有石墨包围，所以这种燃料元件在堆内几乎不会破裂。高温气冷堆的冷却剂是氦，在氦循环风机的驱动下不断通过堆芯将裂变热带出，进行闭式循环。堆芯放在预应力混凝土压力壳内。氦气是一种惰性气体，化学性质不活泼，容易净化，不引起材料的腐蚀。氦气的中子吸收截面极小，它的热导系数和比热比二氧化碳大得多，输送时消耗的功率小。它透明，便于装卸料操作。石墨耐高温，所以氦气的温度可以提高到750-1200。这样一来，除了可在发电时提高热能利用效率外，还可为炼钢、煤的气化、生产氢气等提供高温热源，从而减少了电能这一中间转换环节。由于余热的份额少，又便于用空气冷却塔，热污染少，使这种堆可以建在冷却水源不足的地方。快中子增殖反应堆快中子增殖反应堆 热堆核电站是消耗核燃料生产电能的工厂，快堆核电站则是可以同时生产核燃料和电能的工厂。快堆装入足够的核燃料铀238，由铀238转化成的钚239。钚239裂变放出的中子多，铀一238裂变的几率也大，所以除了维持自身链式反应外，还可以剩余1.2到1.3个中子，用来使铀238转变为钚一239。因而在快堆内，只要添加铀238，每烧掉一个钚239原子核，除了可以维持链式反应，放出大量裂变能外，还可以产生1.2到1.3个钚239。这就是说，在快堆内只要添加铀238，核燃料就越烧越多，这种情况称为核燃料的增殖。因此快堆又称增殖堆或快中子增殖反应堆。优点优点：缺点缺点 ：钠的中子吸收截面小，比热大。它的沸点高达8866C，所以在常压下工作温度高，而且在工作温度下对很多钢种腐蚀性小，无毒。所以钠是快堆的一种很好的冷却剂。但钠的熔点为978C，在室温下是凝固的，所以要用外加热的方法将钠熔化。铀的缺点是化学性质活泼，易与氧和水起化学反应。当蒸汽发生器管子破漏时，管外的钠与管内的水相接触，会引起强烈的钠水反应。所以在使用钠时，要采取严格的防范措施，这比热堆中用水作为冷却剂的问题要复杂得多。加速器驱动洁净核能系统加速器驱动洁净核能系统（ADSADS：Accelerator-Driven Systems)Accelerator-Driven Systems)氘和氚发生聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和0.176亿电子伏特能量。单次氘氚聚变时释放的能量，比一次铀235裂变释放的约2亿电子伏特能量少得多。但是，氘氚聚变时只有5个核子参加反应，而铀235裂变时有236个核子参加反应。因此如果按平均每个核子释放的能量来比较，氘氚聚变释放的能量是铀235裂变释放的能量的4.14倍。第三节 聚变 人类解决能源问题的最终途径 地球上总的水量，包括海水、冰川、河水等，共138.598亿亿立方米，其中海水占99.3%。水中氘的含量非常“丰富”，每升水含0.03克氘，比海水中铀的含量大1万倍。因此地球上的水中约有40万亿吨氘。可以预见，在地球上人类生存的时间内，水中的氘，足以满足人类未来上千亿年对能源的需要。因此地球上的聚变燃料，对于满足未来的需要来说，是无限丰富的；聚变能源的开发，将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。聚变能利用的条件聚变能利用的条件 首先，聚变反应的燃料氘应加热至很高的温度。因为两个氘核只有相靠很近时才可能发生聚变。氘核都是带正电的，要相互靠近必须克服它们间的静电排斥力。这就要求氘核要有足够高的动能。只有把氘气体加热到很高的温度，才可能使氘具有很大的热运动能量，足以克服它们之间的静电排斥力，而相互靠近，发生大量的聚变反应。据估算，温度需达到1亿度以上。这样高的温度，氘气体都完全电离，处于等离子体状态（完全电离的气体）其次，高温氘等离子体还必须有足够高的密度，并维持足够长的时间（称约束时间）。这样才可能达到自持聚变反应并获得能量增益（即聚变反应释放的能量超过加热等所消耗的能量）。实现受控热核反应的途径实现受控热核反应的途径 要实现受控热核反应，就要产生具有一定密度、并加热到一亿度以上高温的等离子体，而且还要维持一段时间，让其发生核聚变，输出聚变能。要使一定密度的等离子体在高温条件下维持一段时间，并不是一件容易的事。这是因为要约束高温等离子体就需要能耐受一亿度以上高温的“容器”，而且还要求容器不导热，否则等离子体温度很快降低，反应就要停止。目前为止还不存在能耐受如此高温、而且绝热的制造这类容器的材料。因此约束高温等离子体是实现受控核聚变的关键课题。1惯性约束与激光核聚变 2磁约束与托卡马克核聚变装置 聚变堆聚变堆 人类的生存与发展依靠你和我的共同努力！