研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新班級(jí)

1、山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：核裂變與核聚變發(fā)電綜述學(xué)號(hào)： 201301100528： 1395422707 ：專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 2013 級(jí) 01 班一、摘要摘要:闡述了核能產(chǎn)生的機(jī)理、裂變核能發(fā)電的安全性、不可回轉(zhuǎn)的趨勢(shì)及今后電站堆的類(lèi)型;并介紹了核聚變能發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀、安全性、前景及其潛力。:核能;發(fā)電;核聚變;反應(yīng)堆二、核能概述核能是一種既讓人類(lèi)感到恐懼又難以離開(kāi)的能源。在地球上的化石能源耗盡后,核能還能連續(xù)不斷地向人類(lèi)提供巨大的能量。盡管目前人們對(duì)繼續(xù)使用核能的爭(zhēng)論很多,但是核能在人類(lèi)未來(lái)活動(dòng)中的地位確實(shí)是其他能源難以替代的。許多國(guó)家的社會(huì)發(fā)展,人們的日常生活已離不

2、開(kāi)核電,在法國(guó)。立陶宛、比利時(shí)、韓國(guó)、等國(guó)家中,核能電量已占其總發(fā)電量的 3680。1 核能概述 從中國(guó)古代的水、木、土、火、金 5 元素學(xué)說(shuō),的水、氣、火、上 4 元素學(xué)說(shuō)進(jìn)展到物質(zhì)世界由12 種夸克組成,人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的組成進(jìn)行了幾千年的探索,做了不懈的努力。利用核反應(yīng)堆中核裂變所出的熱能進(jìn)行發(fā)電的方式。它與火力發(fā)電極其相似。只是以核反應(yīng)堆及蒸汽發(fā)生器來(lái)代替火力發(fā)電的鍋爐，以核裂變能代替礦物的化學(xué)能。除沸水堆外（見(jiàn)輕水堆），其他類(lèi)型的動(dòng)力堆都是一回路的冷卻劑利用核反應(yīng)堆中核裂變所出的熱能進(jìn)行發(fā)電的方式。它與火力發(fā)電極其相似。只是以核反應(yīng)堆及蒸汽發(fā)生器來(lái)代替火力發(fā)電的鍋爐，以核裂變能代替礦物

3、的化學(xué)能。除沸水堆外（見(jiàn)輕水堆），其他類(lèi)型的動(dòng)力堆都是一回路的冷卻劑通過(guò)堆心加熱，在蒸汽發(fā)生器中將熱量傳給二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)。沸水堆則是一回路的冷卻劑通過(guò)堆心加熱變成 70 個(gè)大氣壓左右的過(guò)飽和蒸汽，經(jīng)汽水分離并干燥后直接推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)。核能發(fā)電利用鈾進(jìn)行核所產(chǎn)生的熱，將水加熱成高溫高壓，利用產(chǎn)生的水蒸氣推動(dòng)蒸汽輪機(jī)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。核反應(yīng)所放出的熱量較燃燒化石所放出的能量要高很多（相差約百萬(wàn)倍），比較起來(lái)所以需要的體積比火力電廠少相當(dāng)多。核能發(fā)電所使用的的鈾 235 純度只約占 3%4%，其馀皆為無(wú)法產(chǎn)生核的鈾 238。，在蒸汽發(fā)生器中將熱量傳給二回路或三回路的水，然

4、后形成蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)。沸水堆則是一回路的冷卻劑通過(guò)堆心加熱變成 70 個(gè)大氣壓左右的過(guò)飽和蒸汽，經(jīng)汽水分離并干燥后直接推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)。核能發(fā)電利用鈾進(jìn)行核所產(chǎn)生的熱，將水加熱成高溫高壓，利用產(chǎn)生的水蒸氣推動(dòng)蒸汽輪機(jī)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。核反應(yīng)所放出的熱量較燃燒化石所放出的能量要高很多（相差約百萬(wàn)倍），比較起來(lái)所以需要的體積比火力電廠少相當(dāng)多。核能發(fā)電所使用的的鈾 235 純度只約占 3%4%，其馀皆為無(wú)法產(chǎn)生核的鈾 238。三、核裂變發(fā)電核裂變，又稱(chēng)核，是指由重的原子核，主要是指鈾核或钚核，成兩個(gè)或多個(gè)質(zhì)量較小的原子的一種核反應(yīng)形式。、裂變核電站或核能發(fā)電廠的能量來(lái)源就是核裂變。其中鈾裂變?cè)诤穗姀S

5、最常見(jiàn)，熱中子轟擊鈾 235 原子后會(huì)放出2 到 4 個(gè)中子，中子再去撞擊其它鈾 235 原子，從而形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。世界上的每一種物質(zhì)都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有時(shí)會(huì)或，變成另外的物質(zhì)。物質(zhì)無(wú)論是或，都會(huì)產(chǎn)生能量。由兩個(gè)氫原子合為一個(gè)氦原子，就叫核聚變，就是依此而出巨大的能量。大家熟悉的則是用裂變?cè)碓斐傻?，目前的核電站也是利用核裂變而發(fā)電。核裂變雖然能產(chǎn)生巨大的能量，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上核聚變，裂變堆的核蘊(yùn)藏極為有限，不僅產(chǎn)生強(qiáng)大的輻射，而且遺害千年的廢料也很難處理，核聚變的輻射則少得多，核聚變的可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭。核聚變要在近億度高溫條件下進(jìn)行，地球上時(shí)可以達(dá)到這個(gè)溫度。用核聚變?cè)碓斐鰜?lái)的氫彈就是

6、靠先爆發(fā)一顆核裂變而產(chǎn)生的高熱，來(lái)觸發(fā)核聚變起燃器，使氫彈得以。但是，用核聚變只能氫彈，卻不適用于核聚變發(fā)電，因?yàn)殡姀S不需要一次驚人的力，而需要緩緩的電能。關(guān)于核聚變的“點(diǎn)火”問(wèn)題，激光技術(shù)的發(fā)展，使可控核聚變的“點(diǎn)火”難題有了解決的可能。目前，世界上最大激光輸出功率達(dá) 100瓦，足以“點(diǎn)燃”核聚變。除激光外，利用額微波加熱法，也可達(dá)到“點(diǎn)火”溫度。世界上不少?lài)?guó)家都在積極受控?zé)岷朔磻?yīng)的技術(shù)，、俄羅斯、和西歐國(guó)家的已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展。年月日時(shí)分，物理學(xué)家們用歐洲聯(lián)合環(huán)形聚變反應(yīng)堆在 1.8秒種里再造了“”，首次實(shí)現(xiàn)了核聚變反應(yīng)，溫度高達(dá) 2108，為內(nèi)部溫度的 10 倍，產(chǎn)生了近 2 兆瓦的電

7、能，從而使人類(lèi)多年來(lái)對(duì)于獲得充足而無(wú)污染的核能的科學(xué)夢(mèng)想向現(xiàn)實(shí)大大靠近了一步。我國(guó)自行設(shè)計(jì)和研制的最大的受控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置“中國(guó)環(huán)流器一號(hào)”，已在省樂(lè)山地區(qū)建成，并于 1984 年 9 月順利啟動(dòng)，它標(biāo)志著我國(guó)受控核聚變的實(shí)驗(yàn)，又有了新的發(fā)展和提高，并將為人類(lèi)探求新能源事業(yè)做出貢獻(xiàn)。美中兩國(guó)科學(xué)家分別于 1993 年和 1994 年在這個(gè)領(lǐng)域的和實(shí)驗(yàn)中取得新成果。目前，美、英、俄、德、法、日等國(guó)都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)核聚變發(fā)電廠，科學(xué)家們估計(jì)，到 2025 年以后，核聚變發(fā)電廠才有可能投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。2050 年前后，受控核聚變發(fā)電將廣泛造福人類(lèi)。核聚變反應(yīng)是氫的同位素氘、氚及惰性氣體 3He（氦3），氘

8、和氚在地球上蘊(yùn)藏極其豐富，據(jù)測(cè)，每 1 升海水中含 30 毫克氘，而 30 毫克氘聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于 300 升，這就是說(shuō)，1 升海水可產(chǎn)生相當(dāng)于 300 升的能量。一座100 萬(wàn)千瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需 304 千克。氘的發(fā)熱量相當(dāng)于同等煤的 2000 萬(wàn)倍，天然存在于海水中的氘有 45 億噸，把海水通過(guò)核聚變轉(zhuǎn)化為能源，按目前世界能源消耗水平，可供人類(lèi)用上億年。鋰是核聚變實(shí)現(xiàn)純氘反應(yīng)的過(guò)渡性輔助“”，地球上的鋰足夠用 1 萬(wàn)年2 萬(wàn)年，我國(guó)羌塘高原鋰礦儲(chǔ)量占世界的一半?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，以 3He 為的核聚變反應(yīng)比氘氚聚變更清潔，效益更高，而且與放射性的氘氚不同的是 3He 是一種惰

9、性氣體，操作安全。獲得過(guò)獎(jiǎng)金的科學(xué)家、軍備控制顧問(wèn)1991 年曾撰文說(shuō)，沒(méi)有其它能源能像 3He 那樣幾乎無(wú)污染。下世紀(jì)初，人類(lèi)將在月球上開(kāi)采地球上不存在的 3He 礦藏，用于代替氚，從而使目前世界各地建造的實(shí)驗(yàn)性聚變反應(yīng)可以攻克關(guān)鍵性的難關(guān)，使其走上成為可能。地球上并不存在天然的 3He，作為核的副產(chǎn)品，每年生產(chǎn)大約 20 千克，但一臺(tái)實(shí)驗(yàn)性反應(yīng)堆就需要至少 40 千克。月球上的鈦礦中蘊(yùn)藏著豐富的 3He 資源。月球表面的鈦金屬能吸收風(fēng)刮來(lái)的 3He 粒子。據(jù)估計(jì)，月球誕生的 40億，鈦礦吸收了大約 100 萬(wàn)噸 3He，其能量相當(dāng)于地球上有史以來(lái)所有開(kāi)發(fā)礦物的 10 倍以上。1994 年宣

10、布了去月球開(kāi)發(fā) 3He 的計(jì)劃項(xiàng)目，比在 3He 聚變項(xiàng)目上的投資要多出 100 倍。1986 年起威斯康星州的就成了 3He中心。只要從月球上運(yùn)回25 噸 3He，就可滿(mǎn)足大約一年的能源需要。目前，全球每年的能源消費(fèi)大約 1000萬(wàn)兆瓦，1990 年公布的數(shù)字，到 2050 年時(shí)將會(huì)猛增至 3000 萬(wàn)兆瓦，每年從月球上開(kāi)采 1500 噸 3He，就能滿(mǎn)足世界范圍內(nèi)對(duì)能源的需求。按上述開(kāi)采量推算，月球上的 3He 至少可供地球上使用 700 年。但木星和土星上的 3He 幾乎是取之不盡、用之不竭的。綜上所述，可以看出，核聚變?yōu)槿祟?lèi)擺脫能源展現(xiàn)了美好的前景。四、核聚變發(fā)電1、核聚變的原理核聚變

11、發(fā)電是 21 世紀(jì)正在中的重要技術(shù)，主要是把聚變加熱到 1 億度以上高溫，讓它產(chǎn)生核聚變，然后利用熱能。核聚變發(fā)電的最終實(shí)現(xiàn)還需很長(zhǎng)的時(shí)間。核聚變是兩個(gè)較輕的原子核聚合為一個(gè)較重的原子核，并出能量的過(guò)程。自然界中最容易實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氫的同位素氘與氚的聚變，這種反應(yīng)在上已經(jīng)持續(xù)了 50 億年?？煽睾司圩兯追Q(chēng)人造，因?yàn)榈脑砭褪呛司圩兎磻?yīng)。（核聚變反應(yīng)主要借助氫同位素。核聚變不會(huì)產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長(zhǎng)期和高水平的核輻射，不產(chǎn)生核廢料，當(dāng)然也不產(chǎn)生溫室氣體，基本不污染環(huán)境）人們認(rèn)識(shí)熱核聚變是從氫彈開(kāi)始的。科學(xué)家們希望發(fā)明一種裝置，可以有效控制“氫彈”的過(guò)程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定的輸出。2、核聚變的優(yōu)點(diǎn)利用

12、核能的最終目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)受控核聚變。裂變時(shí)靠原子核而釋出能量。聚變時(shí)則由較輕的原子核聚較重的原子核而釋出能量。最常見(jiàn)的是由氫的同位素氘（讀刀，又叫重氫）和氚（讀川，又叫超重氫）聚較重的原子核如氦而釋出能量。 核聚變較之核裂變有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一是地球上蘊(yùn)藏的核聚變能遠(yuǎn)比核裂變能豐富得多。據(jù)測(cè)算，每升海水中含有 0.03 克氘，所以地球上僅在海水中就有 45噸氘。1 升海水中所含的氘，經(jīng)過(guò)核聚變可提供相當(dāng)于 300 升燃燒后出的能量。地球上蘊(yùn)藏的核聚變能約為蘊(yùn)藏的可進(jìn)行核裂變?cè)厮茚尦龅娜亢肆炎兡艿?1000 萬(wàn)倍，可以說(shuō)是取之不竭的能源。至于氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產(chǎn)生，而海水

13、中也鋰。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是既干凈又安全。因?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì)，所以是干凈的。同時(shí)受控核聚變反應(yīng)可在稀薄的氣體中持續(xù)地穩(wěn)定進(jìn)行，所以是安全的。 實(shí)現(xiàn)核聚變已有不少方法。最早的著名方法是型磁場(chǎng)約束法。它是利用通過(guò)強(qiáng)大電流所產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng)，把等離子體約束在很小范圍內(nèi)以實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)條件。雖然在條件下已接近，但要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用還差得遠(yuǎn)。按照現(xiàn)有的技術(shù)水平，要建立型核聚變裝置，需要幾千億。 另一種實(shí)現(xiàn)核聚變的方法是慣性約束法。慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發(fā)，受它的反作用，球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓（反作用力是一

14、種慣性力，靠它使氣體約束，所以稱(chēng)為慣性約束），就像噴氣飛機(jī)氣體往后噴而推動(dòng)飛機(jī)前飛一樣，小球內(nèi)氣體受擠壓而壓力升高，并伴隨著溫度的急劇升高。當(dāng)溫度達(dá)到所需要的點(diǎn)火溫度（大概需要幾十億度）時(shí)，小球內(nèi)氣體便發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生大量熱能。這種過(guò)程時(shí)間很短，只有幾個(gè)皮秒（1 皮等于 1分之一秒）。如每秒鐘發(fā)生三四次這樣的并且連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，所出的能量就相當(dāng)于百萬(wàn)千瓦級(jí)的發(fā)電站。 原理上雖然就這么簡(jiǎn)單，但是現(xiàn)有的激光束或粒子束所能達(dá)到的功率，離需要的還差幾十倍、甚至幾百倍，加上其他種種技術(shù)上的問(wèn)題，使慣性約束核聚變?nèi)允强赏豢杉暗摹?盡管實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩內(nèi)杂新L(zhǎng)艱難的路程需要征服，但其美好前景的巨大力

15、，正吸引著各國(guó)科學(xué)家在奮力攀登。3、具體實(shí)現(xiàn)方式3、1 TOAK裝置的就是磁場(chǎng)，要產(chǎn)生磁場(chǎng)就要用線圈，就要通電，有線圈就有導(dǎo)線，有導(dǎo)線就有電阻。裝置越接近實(shí)用就要越強(qiáng)的磁場(chǎng)，就要給導(dǎo)線通過(guò)越大的電流，這個(gè)時(shí)候，導(dǎo)線里的電阻就出現(xiàn)了，電阻使得線圈的效率降低，同時(shí)限制通過(guò)大的電流，不能產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)。貌似走到了盡頭。幸好，超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展使得峰回路轉(zhuǎn)，只要把線圈做成超導(dǎo)體，理論上就可以解決大電流和損耗的問(wèn)題，于是，使用超導(dǎo)線圈的裝置就誕生了，這就是超。目前為止，世界上有 4 個(gè)國(guó)家有各自的大型超裝置，法國(guó)的 ToreSupra，俄羅斯的 T-15，的 JT-60U，和中國(guó)的 EAST。除了 EAST

16、 以外，其他四個(gè)大概都只能叫“準(zhǔn)超”，它們的水平線圈是超導(dǎo)的，垂直線圈則是常規(guī)的，因此還是會(huì)受到電阻的困擾。3、2 ITER2005 年 ITER 正式立項(xiàng)，地點(diǎn)在法國(guó)的卡申，基本設(shè)計(jì)不變，力爭(zhēng) 2015 年前全面完成，造價(jià) 120 億，歐盟出 40%，法、美各出 10%，剩下的想讓別人平攤，韓國(guó)不干，力爭(zhēng)讓也出 10%，自己出 5%（最終美、日、俄、中、韓、印各出約 9%）。ITER 湊巧是拉丁語(yǔ)“道路”，可見(jiàn)大家對(duì)這個(gè)東西多大的希望。很有可能，她就是人類(lèi)解決能源問(wèn)題的“道路”。如果 ITER 能成功，下一步就是利用 ITER 的技術(shù)，設(shè)計(jì)和建造示范堆，到那時(shí)，離真正的商業(yè)核聚變發(fā)電就不遠(yuǎn)了

17、。但是 ITER 建設(shè)中，還有大量的技術(shù)問(wèn)題需要解決，需要有一個(gè)原型可以參考，在此基礎(chǔ)上，各國(guó)的先進(jìn)超脫卡裝置就成了設(shè)計(jì) ITER 的藍(lán)本。ITER 的研究遠(yuǎn)非一個(gè)裝置，它還有很多難題需要攻克，戰(zhàn)里說(shuō)“各村有各村的高招”，的設(shè)備就遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了其他國(guó)家前面，他們?cè)邳c(diǎn)火領(lǐng)域就很先進(jìn)，不用高壓變壓器，直接使用高頻電流制造核聚變點(diǎn)火的高溫等離子體電流，就已經(jīng)在試驗(yàn)成功了，大功率激光點(diǎn)火也接近完善。3、3 EASTEAST 位于中國(guó)合肥，是目前為止，超反應(yīng)體部分，唯一能給 ITER 提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的裝置，他的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用的技術(shù)與規(guī)劃中的 ITER 完全一樣，沒(méi)有的僅僅是換能部分。EAST 解決了幾個(gè)重要問(wèn)題：第一次采用了非圓型垂直截面，目的是在不增加環(huán)形直徑的前提下增加反應(yīng)體的體積，提高磁場(chǎng)效率。第一次全部采用了液氦無(wú)損耗的超導(dǎo)體系。液氦是很貴的，只有圈材料上下功夫，盡量少用液氦，同時(shí)讓液氦可以循環(huán)使用，盡量減少損耗的系統(tǒng)才可能投入實(shí)用。此外，EAST 還是世界上第一個(gè)具有主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的，它的第一壁是主動(dòng)冷卻的，連接的是一個(gè)大型冷卻塔，它的冷卻水可以保證在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶走，維持系統(tǒng)的溫度平衡，一方面是為真正實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的受控聚變邁出的重要一步，另一方面也是工程化的重要標(biāo)志冷卻塔換成汽輪機(jī)是可以發(fā)電的。結(jié)合一些相關(guān)資料，世界這個(gè)領(lǐng)域普遍認(rèn)為 EAST 將是第一個(gè)