压水堆核电基础知识第一章

1
第一章 核能与反应堆
随着人类社会的不断进步，世界能量消耗的增长是很快的。一方面随着生活水平的提高，
人均对能量的消耗也越来越高；另一方面，世界总人口还在不断地增加。更主要的是在工业、
农业、交通运输方面按每人平均所消耗的能量增加了。世界上有些国家，有些地区因能源不
足而延缓了经济的发展的例子是不少的。
核裂变现象的发现表明，核能时代开始了。核能以它的本身的特点越来越得到人类的重
视。核能，最初由于人们对此物理现象的不确切了解，称为原子能。实际上它是由于原子核
内部发生裂变或聚变而产生的巨大的能量。
目前在反应堆中，用不带电的粒子(中子)去轰击靶核235U使之裂变从而释放出大量的核
能。但核能的产生并非容易，因为原子核很小，又带正电。击开它并非易事。
早期人们一直是设想用加速的带电粒子作为轰击原子核的炮弹。为了使原子核分裂，
曾设计了大型静电加速器和回旋加速器，通过这些设备甚至可以把带电粒子加速到近千万电
子伏，但仍然很难击开原子核，成千上万发的炮弹很可能只有一发炮弹能击中原子核。如同
爱因斯坦所说，“我们好比是一些憋脚的射手，在黑暗的郊外打鸟，那里的鸟又非常少”。
1932年查德威克(Chadwick)等人发现了中子。

nCHeBe101264294
中子不带电荷，和原子核之间没有库仑力的相互作用，容易接近原子核而引起核反应。
中子的发现开创了核物理学的新纪元，也为重核裂变提供了强有力的“炮弹”。
1938年哈恩( O.Hahn )和斯特拉斯曼( F.Strassmann )用放射化学的方法发现和证实
了235U在中子的轰击下发生裂变的现象。但当时把放出的新的中子给忽略了。
后来，许多科学家利用各种方法（如电离室，云雾室等）来证明中子轰击铀核后，铀
核分裂成两个质量近似相等的碎片，同时放出两个至三个的次级中子，还释放出大量能量和
射线。1946年我国科学家钱三强，何泽慧夫妇发现了铀核在中子的轰击下有时会分裂成三
块或四块，但这种机会要小得多，这种分裂现象一般称为三分裂或四分裂。
1942年费米( Fermi )在美国芝加哥大学建成世界上第一座天然铀石墨热中子反应堆
CP-1，用了40吨天然铀（其中6吨金属铀），385吨石墨，2000根铀棒组成的10.510.542
cm的栅格。

1.1 核能的特点
核电厂中产生的能量是由于在反应堆装置中，靶核235U在中子的轰击下，产生裂变反
应同时释放出大量的能量。这种由于原子核内部结构组成的变化而释放出来的能量称为核
能。那么核能有哪些特点呢？
首先，核能的能值高，一公斤铀全部裂变所释放的裂变能，大约和2700吨煤或2000
吨石油相当。煤和石油的发电是利用物质的化学反应。而核能的释放是由于原子核的内能变
化而产生的能量。特别是在煤资源、水力资源缺乏的地区，如果用核能来发电，将是很适宜
的方案。到1994年年底，法国的核电已占法国总电力的75.29%。
其次，核能主要利用铀、钍同位素。而这些同位素的矿藏量以及海水中氘所蕴含的能量
储藏量丰富广泛。目前主要用于能源的是化石燃料，也就是煤、天然气和石油，以及水力。
但露天采矿和烧煤对地表的破坏和对环境的污染是很严重的。更主要的是煤和石油还能为生
2

产化学制品(包括药品、染料、纤维、橡胶和塑料等)提供基本的原料，从长远看，将化石燃
料用于原料方面比用作能源可能更有价值。至于水力资源并不是任何地区都有的，往往是缺
少水力资源的大城市、沿海城市却需要更多的电力。
再次，随着核技术的不断完善，核能已被公认为一种价格上能和其他能源相竞争的发
电用能源，见表1.1-1。

表1.1-1 核电站与火电站发电成本比较
美 国 法 国 日 本
烧油电站 8.1美分/度电 28生丁/度电 13.06 日元/度电
烧煤电站 4.8美分/度电 10.45日元/度电
核电站 4.3美分/度电 21生丁/度电 8.9日元/度电

最后，核能对大自然的环境污染小。核电厂不放出二氧化碳、二氧化硫和氮的氧化物，
不会造成温室效应和酸雨，从而保护了人类赖以生存的生态环境。当前作为核能利用的主要
装置是核电厂。由于安全措施严格，运行经验丰富，因而发生事故的几率很小。但是为了做
到安全可靠，万无一失，并防止事故引起放射性扩散，核电站中设置了三道放射性屏障和应
急事故处理系统。图1.1-1为压水堆核电站放射性三道屏障示意图。第一道屏障是核燃料元
件棒包壳，它能承受约200大气压的压力。放射性裂变产物被限制在包壳管内；第二道屏障
是反应堆压力容器和一回路耐压管道。即使燃料元件包壳万一破损，其放射性物质也只能外
漏到一回路中；第三道屏障是安全壳，它将反应堆及一回路系统的主要设备密封在安全壳内。
因而，即使第二道屏障万一破损，其放射性物质也只能密封在安全壳内。

更由于它能值高，烧过的燃料还能进行后处理再做成新的燃料。特别是快中子增殖反应
堆的出现，它能对燃料进行增殖，能把不能裂变的238U转变成核燃料239Pu，大大地增加了对
铀资源的利用。
现代人类所能利用的能源，不外乎是水力、化石燃料、核能以及太阳能、风力、潮汐能、
地热能等。水力能源虽有一定的经济价值，但往往受到地理条件的限制，建造费用庞大，电
力输送费用高。至于太阳能、潮汐能、风力及地热发电，目前虽然经过研究试验已开始应用，
3

但要大规模地利用及开发却受到很多条件的限制。因此，核能是当前比较有现实意义的能源。
1.2 核反应堆与核电厂动力系统
核反应堆是利用易裂变物质，使之发生可控的自持裂变链式反应的一种装置。它是核电
厂产生能量的主要设备。
1.2.1 核电厂动力系统简介
图1.2-1给出了核反应堆装置的示意图。冷却剂经堆芯带走热量经蒸发器，通过主泵再
流入堆芯。这个闭合回路称一次回路，简称一回路。对于压水堆，一回路也是高温高压回路，
由于冷却水是流经堆芯的，因而它具有放射性。从蒸发器出来的汽通过汽轮机带动发电机发
电，从汽轮机出来的汽水混合物通过冷凝器流入蒸发器，这一回路称二次回路，简称二回路。
1.2.2 反应堆及其分类
当前世界上有各种各样的反应堆，我们可以将他们分一下类。
1. 按核反应堆的用途分类
生产堆 生产易裂变材料，同位素或用于工业规模辐照的反应堆。它们的主要反应式如
238U ＋n→239Pu
6Li＋n→3H+4He
 232Th＋n→233Th→233U
239Pu是一种很好的易裂变物质，239Pu裂变时能放出大量的裂变能。而238U本身对热中子
是不裂变的，在自然界的铀矿中，它的丰度为99.2%。大量的232Th存在于自然界，它本身不
能裂变。但它可以吸收中子形成 233U，而233U是一种很好的易裂变物质。利用上述过程，可
使大量的232Th矿资源得到利用。而6Li放在堆内受中子辐照而产生的氚(3H)则是氢弹的重要
物质。
实验堆 主要包括零功率装置，实验研究堆和原型堆等。主要用于实验研究，为设计和
研制反应堆或新型堆取得必要的反应堆物理或堆工程数据。
动力堆 用作动力和直接发电的反应堆。它分为移动式(如核潜艇)和固定式(发电)。动
力堆用作发电其优越性越来越被人们接受。田湾核电站中的反应堆就属于这种范畴。
2. 按冷却剂类型分类
压水堆 轻水作冷却剂、慢化剂。燃料一般采用低富集的二氧化铀。轻水慢化，水的导
热性能好。该堆型结构紧凑，功率密度高。平均燃耗深，负温度系数，比较安全可靠。高压
(14-16兆帕)使得水温在300℃左右而不沸腾。
沸水堆 与压水堆一样，冷却剂为水，但允许沸腾，压力低，省去一个回路(一回路与二
回路合二为一)。水沸腾后将使堆芯内中子的慢化性能变差，因而必须增大堆芯体积，燃料
装载量要比同样功率的压水堆大50%左右。
重水堆 冷却剂、慢化剂都为重水。由于重水的慢化性能好，热中子吸收截面小，故燃
料可用天燃铀。重水的泄漏是一个要认真对待的技术关键。
气冷堆 一般用CO2作冷却剂，石墨作慢化剂。燃耗深，转换比高，体积大。
钠冷堆 没有慢化剂，金属钠作冷却剂。燃料要求高富集铀或铀钚混合燃料，压力低，
冷却剂的进出口温差大，功率密度大。
3. 按引起裂变的中子能量来分类
热中子反应堆 引起燃料核裂变的中子能量在0.0253电子伏左右。大多数压水堆即属于
这种类型。
快中子反应堆 引起燃料核裂变的中子能量在0.1兆电子伏附近。例如钠冷堆。
中能中子反应堆 引起裂变的中子能量介于热中子堆和快中子堆之间。
4

综上所述，田湾核电厂中的反应堆装置中靶核裂变时释放出来的能量用来发电，因而它
是属于动力堆范畴。由于它用轻水作冷却剂、慢化剂。采用低富集的二氧化铀作燃料，堆内
压力较高，又称为压水堆。这种压水堆的优点是反应堆结构简单，功率密度高。当然为了安
全运行，其系统复杂，设备多。为了获得较高的蒸汽参数，反应堆及其一回路都要在很高的
压力下工作，给设计和设备制造带来一定的困难。同时，它是主要由于热中子引起235U裂变
而释放能量的。因此又称为热中子反应堆。

复 习 题
1.什么能量称为核能？核能有哪些特点？
2.简单叙述田湾核电厂中的反应堆装置的特点。