核能发电原理与主要堆型情况介绍
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核电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。在核裂变过程中,快中子经慢化后变为慢中子,撞击原子核,发生受控的链式反应,产生热能,生成蒸汽,从而推动汽轮机运转。核电站与我们常见的火力发电站一样,都用蒸汽推动汽轮机做功,带动发电机发电。它们的主要不同在于蒸汽供应系统。火电厂依靠燃烧化石燃料(煤、石油或者天然气)释放的化学能将水变成蒸汽,核电站则依靠核燃料的核裂变反应释放的核能将水变成蒸汽。除反应堆外,核电站其他系统的发电原理与常规火力发电站相仿。
各种核电堆型的区别主要在于反应堆的冷却剂和中子慢化剂的不同。按照冷却剂的不同可分为轻水堆、重水堆、气冷堆等,按照中子慢化剂的有无,可分为热中子堆、快中子堆。各堆型冷却剂和慢化剂对应情况
目前世界上核电站采用的反应堆有压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆、石墨水冷堆以及快中子增殖堆等,但比较广泛使用的是压水堆。压水堆以普通水作冷却剂和慢化剂,是目前世界上最普遍的商用堆型。
压水堆(PWR,pressurizedwaterreactor):使用加压轻水(即普通水)作冷却剂和慢化剂,且水在堆内不沸腾的核反应堆,燃料为浓缩铀。压水堆核电站由核岛和常规岛组成,核岛中的大型设备是蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯,常规岛主要包括汽轮机组及二回路其它辅助系统,与常规火电厂类似。
沸水堆(BWR,boilingwaterreactor):沸水堆是以沸腾轻水为慢化剂和冷却剂并在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽的动力堆。沸水堆与压水堆同属轻水堆,都具有结构紧凑、安全可靠、建造费用低和负荷跟随能力强等优点。
重水堆(PHWR,pressurizedheavywaterreactor):重水堆是以重水作慢化剂的反应堆,可以直接利用天然铀作为核燃料。重水堆可用轻水或重水作冷却剂。石墨气冷堆(GCR,gascooledreactor):用石墨慢化、二氧化碳或氦气冷却的反应堆,目前仅存于英国。近期的研究集中在氦气冷却的高温气冷堆(HTGR,hightemperaturegas-cooledreactor)上。
石墨水冷堆(LWGR,light-watercooledgraphitemoderatedreactor):石墨水冷堆是以石墨为慢化剂、水为冷却剂的热中子反应堆,目前仅存于俄罗斯。
快中子增殖堆(FBR,fastbreederreactor):由快中子引起链式裂变反应所释放出来的热能转换为电能的核电站。快堆在运行中既消耗裂变材料,又生产新裂变材料,而且所产可多于所耗,能实现核裂变材料的增殖。
根据国际原子能机构的统计,截至2013年12月31日,全球堆型情况如下图:全球堆型情况单位:台
以压水堆为例对核能发电的原理进行说明:核能发电原理(以压水堆为例)
核燃料在反应堆内发生裂变而产生大量热能,高温高压的一回路冷却水把这些热能带出反应堆,并在蒸汽发生器内把热量传给二回路的水,使它们变成蒸汽,蒸汽推动汽轮机带动发电机发电。
一回路:反应堆堆芯因核燃料裂变产生巨大的热能,高温高压的冷却水由主泵泵入堆芯带走热量,然后流经蒸汽发生器内的传热U型管,通过管壁将热能传递给U型管外的二回路,释放热量后又被主泵送回堆芯重新加热再进入蒸汽发生器。水这样不断的在密闭的回路内循环,被称为一回路。
二回路:蒸汽发生器U型管外的二回路水受热变成蒸汽,蒸汽推动汽轮机发电机做功,把热能转换为电力;做完功后的蒸汽进入冷凝器冷却,凝结成水返回蒸汽发生器,重新加热成蒸汽。这个回路循环被称为二回路。
压水堆核电站主要由核岛、常规岛和电站配套设施(BOP)等组成。核岛及常规岛
核岛由核反应堆厂房和核辅助厂房构成,其中核反应堆厂房的安全壳是核电站的重要安全构筑物。安全壳一般为带有半圆形顶的圆柱体钢筋混凝土建筑,能够承受地震、台风等各种外部冲击,是核电站的第三道安全屏障,确保反应堆的放射性物质不释放到外部环境。反应堆厂房剖面
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