第二章 清洁能源材料 第一节 核能与核能材料,一、核能概述 世界上第一座商业化核电站1956年在英国运作，现在有435座商业化核电反应堆运行在30个国家，总容量370，000Mwe，供应全球电力的16%。还有56个国家拥有284个研究堆和220个船用核动力装置。正在建设的核反应堆有30个，计划建设的核反应堆超过70个 经过50余年的核能利用和发展，世界上已有448座核电机组在运行，核电站容量达到368.4GW (国家能源局副局长刘琦:中国发展清洁能源面临诸多挑战 ),我国能源体系的特点是以燃煤为主，约占一次性能源消耗量的70%，到本世纪中叶，煤、气等常规能源将不能满足我国快速发展的经济对能源的需求。,从环境的角度看，煤和石油的燃烧，造成严重的环境污染，我国许多城市污染物浓度达到世界前列。如沈阳、北京和上海等。,我国民用核动力事业起步晚，1991年12月浙江嘉兴的秦山核电站首次并网发电，1994年4月设入商业运行，1995年7月通过国家验收。,广东深圳的大亚湾核电站1987年8月7日工程正式开工，1994年2月1日和5月6日两台单机容量为984MWe压水堆反应堆机组先后投入商业营运 。,中国目前有4座核电站11台机组运行 ： 秦山核电站 ，广东大亚湾核电站，田湾核电站 ，广东岭澳核电站,在建和规划中的主要核电站7个 ： 广东阳江核电站 浙江三门核电站 辽宁红沿河核电站 江西九江彭泽核电厂将投资人民币400亿，2008年动工。 涪陵核电厂投资人民币200亿2013年首台机组并网发电 ， 湖南省拟建的核电 站，目前已完成水文等8个外围专题 山东威海规划建设一座195兆瓦气冷式核电站，这将是全球首个投入商业运营的“球床”核反应堆,2005年中国就发布了核电中长期发展规划，提出要加快核电站的批量建设，推进核电产业化进程。根据规划，到2020年核电要达到4000万千瓦左右的装机容量，占全国电力装机容量的4%，占总发电量的6%。,核能的优势 （1）核能是主要的电力来源。 （2）核能的废气排放量很少。 （3）核能的电力成本低,有关传统燃料可靠性及价格等问题也促使各国纷纷考虑核电。世界核协会按照发电厂建造及运营的全部电成本以两种利率进行了计算。按照10%的利率计算，每千瓦中等发电成本，核能为4.0美分，煤为4.7美分，天然气为5.1美分。按照5%的利率，每千瓦中等发电成本有所下降，核能为2.6美分，煤3.7美分，天然气为4.3美分。此外，化石燃料价格的上涨使核能更具优势。,二、核能发电原理 核能的释放通常有两种形式： 重核的裂变和轻核的聚变 重核裂变能源 ：是重核的裂变，即一个重原子核（如铀、钚），分裂成两个或多个中等原子量的原子核，引起链式反应，从而释放出巨大的能量 轻核聚变能源：两个轻原子核（如氢的同位素氘），聚合成为一个较重的核，从而释放出巨大的能量。理论和实践都证明，轻核聚变比重核聚变释放出的能量要大得多。,利用重核裂变，人们已经制造出了原子弹，若通过反应堆对其加以人工控制，就可实现原子能发电。 利用轻核聚变原理，人们已经制造出比原子弹杀伤力更大的氢弹，氢弹是无控制爆炸性核聚变。要实现核聚变能的和平利用，即核聚变发电，必须对核聚变实行人工控制，使核聚变反应按照人们的需要有序地进行，这就是受控核聚变。,常见的压水反应堆核电站，主要包括两大部分：一部分是利用核能生产蒸汽的核岛，包括反应堆装置和回路系统；另一部分是利用蒸汽发电的常规岛，包括汽轮发电机系统。核电站用的燃料是铀，它是一种很重的金属。用铀制成的核燃料在反应堆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，蒸汽推动气轮机带着发电机一起旋转，电能就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方,三、核能材料 核动力发展必须解决两个重要问题： 提高反应堆的安全性和改善其经济性, 要解决这两个问题，一是从设计和管理上解决，研究发展固有安全性好，非能动反应堆，二是提高反应堆材料性能。,先进核动力反应堆主要指先进型压水堆、先进型沸水堆、非能动简化型沸水堆、供热反应堆、模块式高温气冷堆、快中子反应堆、聚变反应堆、聚变-裂变反应堆和加速器驱动清洁核能系统（有称能量放大器）等。其中先进型压水、沸水、非能动沸水堆是对原来普通水堆的改进和发展。,四、先进热中子反应堆材料 先进热中子反应堆包括先进压水堆、先进沸水堆、非能动沸水堆、低温供热堆和高温气冷堆。低温供热堆的主要目的是供热，而压水堆、沸水堆则是将核能转化为热能，最后把热能转化为电能输送出去。,（一） LWR材料 目前世界上的动力反应堆，绝大部分是轻水堆（LWR）， LWR材料主要包括核燃料、包壳、慢化材料和反射层材料、冷却剂、控制材料、压力容器和管道材料以及屏蔽材料。,1、核燃料元件 对核材料，完整的实际运行数据资料是应该有好的辐照稳定性和滞留裂变产物的能力。可以认为， UO2燃料的研究具有成熟的理论和实际应用经验，所以燃料目前几乎使用UO2燃料。,2、包壳材料： 包壳材料的性能要求是具有一定强度和塑性，能承受裂变气体造成的压力和外部冷却剂的压力，并能适应燃料的肿胀变形。良好的抗腐蚀性能，包括燃料及裂变产物、冷却剂对包壳的腐蚀。好的核性能，中子吸收截面小，辐射不产生严重的核反应等。具有抗辐照机械性能，辐照不引起过量的强度增加和塑性降低。 目前使用的包壳材料为Zr合金。 安全壳的材料与构造,3、冷却剂和慢化材料 冷却剂性能的要求：传热系数大，冷却能力强；粘度低，易于流动；在较低压力下能获得高温；化学稳定性和辐照稳定性好，感生放射性小。 水堆的冷却剂同时也是慢化剂，通常用轻水结合浓缩铀或重水做慢化剂。,（二）高温气冷堆 气冷堆的主要特征是采用陶瓷包覆型的UO2颗粒作为燃料。以石墨作为慢化剂，气体作冷却剂，包壳材料为镁合金。,4、控制材料 性能要求：中子吸收材料，常用的控制材料有B4C，Hf，Cd，Ag-In-Cd,五、聚变反应堆材料 聚变反应堆是指利用轻原子（氘、氚、氦等）合成，释放大量结合能并加以利用的核反应堆。 6个氘的聚变反应可产生43.15MeV的能量，是氢燃料放出能量的数千万倍。除能量巨大外，海水中的氘是取之不尽用之不竭的，因此聚变堆可以从根本上解决人类能源不足的问题。 与裂变堆比，燃料无放射性，系统更安全，不产生反射性废物。,实现聚变反应，有两个基本条件： 等离子体的约束和等离子体的加热。目前托卡马克型聚变堆是国际上最具有代表性的研究堆型 。托卡马克堆采用强磁场约束等离子体，采用高速中性粒子入射加热等离子体。,主要部件：第一壁，它构成等离子体室；偏滤器系统，它从DT反应中取出He；包层系统，包层等离子体侧与第一壁相邻，背面与屏蔽层接触。它的作用是贮存氚增殖剂、提供氚，并向氦冷却剂传递热量；磁场屏蔽；燃料供应和等离子体加热热源。,1、第一壁和包壳材料 第一壁材料受到能量为14.1 MeV的中子辐照，目前作为第一壁和包层材料的候选材料主要有奥氏体钢、铁素体马氏体钢、钒基合金和石墨及碳碳复合材料等，SiC/SiC复合材料在近期才被作为侯选材料。 以前一些Mo，Nb，Mn等高温合金由于中子辐照产生长寿命活化产物，不再作为考虑对象,辐照效应是第一壁和包层材料的主要问题。 SiC具有优异的高温性能、抗辐照性能，中子辐照活性较低，但SiC是脆性陶瓷材料，为了提高它的韧性和强度，采用SiC纤维增强制备SiCSiC复合材料是比较有效的方法。,2、偏滤器结构材料 偏滤器比第一壁承受更高的热和粒子通量。偏滤器与第一壁材料结合，二者热膨胀系数要匹配，另外要求材料能承受高热负荷，与冷却剂、氢等离子体相容，抗辐照肿胀和脆化。 候选材料有铜合金、钼合金和铌合金。铜合金的优点是导热率高，主要问题是热膨胀系数大，熔点低。钼合金和铌合金的优点是熔点高，热膨胀系数与碳、钨装甲材料相近。但钼合金的辐照脆化严重，制造和焊接困难。,3、氚增殖材料 包层内的氚增殖材料在中子作用下转换成氚，为聚变堆提供燃料中的氚。氚增殖材料是含锂的陶瓷或液态金属合金，包括Li2O，LiAlO2，Li2SiO3，Li2ZrO3，Li2TiO3，液态Li和Li-Pb合金等。 氚增殖材料的基本要求是，有一定的氚增殖能力，化学稳定性好，与结构材料相容，氚回收容易，残留量少,4、聚变堆前景 聚变堆核电站将从根本上“永远”解决人类能源供需的矛盾，但目前离实际应用还有较长的距离，其中关键问题之一是聚变堆材料，尤其是第一壁材料性能问题。 在聚变堆核电站建成前，比较可行的是聚变一裂变混合堆，它是聚变能的早期应用。,六、核能的发展,1、第一核纪元：1942年-1986年 1942年人类首次实现链式核反应，这是人类历史上一件划时代的大事。 1979年三里岛事故给第一核纪元蒙上阴影， 1986年切尔诺贝利核电厂重大事故基本宣告第一核纪元寿终正寝。,4号堆加上“石棺”后的切尔诺贝利核电站,反应堆厂房只不过是一个普通工厂的大车间，至多只是一个没有门窗的“密封厂房”而已，根本没有“安全壳”。同时反应堆是压力管式，由压力管承压，石墨砌体直径很大，所以也没有压力壳。 1986年4月26日发生灾难性事故的是核电站4号机组，该机组建成、投入运行是在1983年12月。1986年4月25日前，它一直稳定运行在额定满功率下，按计划4月25日停堆检修。 RBMK石墨沸水堆设计本身存在着安全隐患，是堆设计中留下的缺陷，也是这次事故的内在原因。,切尔诺贝利核事故毁坏的4号反应堆,切尔诺贝利核电站附近电影院已无观众入场，只剩下排排斑驳的座位,学校地板上散落着木料,事故后从白俄罗斯、乌克兰和俄罗斯三国撤离了11.6万人，最后避迁移居了21万公众 。最严重的健康效应是儿童中的甲状腺癌发病率上升，到1995年确诊约800例。根据联合国有关组织从1990年1997年统计，受照的18岁以下的人员中诊断了甲状腺人数1420例，明显大于预期的例数,2、第二核纪元,由于经济增长的需要、人们环境保护意识的增强，人们又重新评估核能的战略地位，美国、欧共体、日本、韩国、中国和南非等国家准备开始或已经开始研究“固有安全性”、“非能动安全性”反应堆，高性能核材料不断涌现。 选择核动力堆型时，安全性和经济性谁放在第一位?安全性第一的态度是对子孙后代负责任的态度,“东盟十加三核能源安全利用研讨会”2008年6月16日在曼谷召开。中国代表、国家核安全局副局长王中堂今天与会并表示，中国愿意和东盟国家进行和平安全利用核能方面的合作。,