新型核能技術(shù)

前言

　　經(jīng)過三十年的高速發(fā)展，中國經(jīng)濟已經(jīng)成為全球化產(chǎn)業(yè)分工的重要環(huán)節(jié)。能源的安全供應(yīng)是保障中國未來經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的命脈。在世界經(jīng)濟不斷發(fā)展的同時，因人類耗費大量化石能源造成全球氣候變暖的問題越來越受到全人類的關(guān)注。減排溫室氣體、建立低碳經(jīng)濟體系的政治呼吁，正逐漸對全球經(jīng)濟、政治和社會活動形成巨大的沖擊。人類必須尋求可持續(xù)發(fā)展的能源道路，必須盡力推動風(fēng)能、太陽能、水電及核能等非化石能源技術(shù)的大規(guī)模利用。核能技術(shù)作為目前在技術(shù)上能夠替代化石能源大規(guī)模穩(wěn)定發(fā)電的唯一成熟低碳能源技術(shù)，再次迎來高速發(fā)展的歷史機遇?！　榱藵M足那些關(guān)心世界核能技術(shù)的現(xiàn)狀、并對核能技術(shù)未來發(fā)展趨勢感興趣、但缺乏核能行業(yè)專業(yè)知識的讀者的需要，本書作者從在核能工程行業(yè)從業(yè)多年的學(xué)者的視角，提供理解核能技術(shù)所需要的核物理、核工程與核安全學(xué)科方向的基本專業(yè)知識，以期望能夠幫助這些讀者能更準確地理解核能技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)發(fā)展前景?！　”緯卜?章。第1章概述世界核能的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展的歷史；第2章簡述核能技術(shù)所涉及主要核物理基礎(chǔ)知識；第3章描述商用核電技術(shù)，主要包括核電廠相關(guān)的工程設(shè)計基礎(chǔ)知識并介紹典型的現(xiàn)有商用核電廠的工作原理；第4章描述發(fā)展核電的核安全與核能經(jīng)濟競爭力問題；第5章回顧中國核能工業(yè)的發(fā)展歷程和中國核電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀；第6章描述目前世界范圍正在逐漸到來的核能新紀元，以及第四代先進核能技術(shù)；第7章概述未來核能可持續(xù)發(fā)展的潛在技術(shù)選擇，包括加速器驅(qū)動的次臨界清潔核能系統(tǒng)、聚變?裂變混合堆、慣性約束核聚變能技術(shù)和磁約束核聚變能技術(shù)；第8章描述中國核能可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)路線，從核燃料資源、技術(shù)、資金及人力不同視角分析中國核能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略?！　”緯膬?nèi)容和知識深度適宜從事行政管理、政策研究、文宣、情咨等領(lǐng)域相關(guān)工作的讀者，也可作為其他能源領(lǐng)域的專業(yè)人士或在讀研究生了解核能基本專業(yè)知識的參考讀物?！　”緯膬?nèi)容大部分是在清華大學(xué)王革華教授主編，由化學(xué)工業(yè)出版社2006年出版的《新能源概論》一書的第六章的基礎(chǔ)上擴展得到的。清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院和化學(xué)工業(yè)出版社對本書的出版給予了大力的支持。在此表示誠摯的致謝?！　∮捎诮陙砗四芗夹g(shù)正沿著更安全、更經(jīng)濟、更強調(diào)防止核擴散和能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)方向探索前進，在新的概念設(shè)計、新材料和新建造技術(shù)領(lǐng)域涉及學(xué)科面廣、技術(shù)發(fā)展迅速，且本書作者水平有限，歡迎讀者堅持科學(xué)批判精神，對本書的學(xué)術(shù)觀點、書中不當之處進行自由爭論和批評指正。

內(nèi)容概要

　　《新型核能技術(shù)：概念、應(yīng)用與前景》介紹了新型核能技術(shù)的相關(guān)知識。具體內(nèi)容包括概論，核物理基礎(chǔ)，商用核電技術(shù)，核安全與核能經(jīng)濟競爭力，中國核電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，核能的新紀元，未來的新型核能，中國核能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 讀者對象：從事核能利用行業(yè)的科研、技術(shù)、管理人員；高校相關(guān)專業(yè)師生可以參考使用。

作者簡介

　　周志偉，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院教授，博士生導(dǎo)師，國家磁約束聚變專家委員會委員，磁約束核聚變教育部研究中心學(xué)術(shù)委員會委員，教育部ICF重大專項專家組成員，《原子能科學(xué)技術(shù)》和《核電》編委，全國反應(yīng)堆熱工流體專業(yè)委員會委員。于1989年和1984年在清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計研究院分別獲反應(yīng)堆工程與安全專業(yè)工學(xué)博士及工學(xué)碩士學(xué)位；1982年清華大學(xué)工程物理系反應(yīng)堆專業(yè)畢業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位。1987～1997年期間，先后在蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)（EHTZ）做訪問研究、博士后研究及研究助理工作，并于1996年獲瑞士ETHZ技術(shù)科學(xué)博士學(xué)位；1997～1998年在德國核設(shè)施與反應(yīng)堆安全（GRS）研究中心工作。1998年11月～1999年5月在大亞灣核電廠培訓(xùn)中心任模擬機評標技術(shù)專家；1999～2002年任清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院反應(yīng)堆理論研究室主任，2002年11月至今任堆工所副所長。近期相關(guān)主要研究工作包括：高溫氣冷堆全范圍實時模擬機技術(shù)研究；核電站嚴重事故氫風(fēng)險分析及堆芯損壞評價研究；聚變堆及聚變一裂變混合能源堆包層物理分析及關(guān)鍵技術(shù)研究，在國際國內(nèi)學(xué)術(shù)期刊及國際會議發(fā)表論文超過100篇。在清華大學(xué)講授《應(yīng)用核物理》、《能源工業(yè)中的多相流模擬計算》及《新能源概論一核能篇》等研究生學(xué)位課程。

書籍目錄

1 概述/11.1 核能與宇宙的演變41.2 放射性的發(fā)現(xiàn)51.3 中子的發(fā)現(xiàn)與原子有核模型的建立51.4 自持鏈式裂變反應(yīng)的實現(xiàn)61.5 核電工業(yè)發(fā)展歷程81.6 熱核聚變能技術(shù)10參考文獻132 核物理基礎(chǔ)/142.1 原子與原子核142.1.1 原子與原子核的結(jié)構(gòu)和電荷142.1.2 原子與原子核的質(zhì)量152.1.3 原子核的尺度與密度162.1.4 原子核的微觀物理特性172.2 放射性與原子核的穩(wěn)定性182.2.1 放射性衰變的基本規(guī)律182.2.2 原子核的結(jié)合能與比結(jié)合能232.2.3 原子核的β穩(wěn)定性272.3 射線與物質(zhì)的相互作用282.3.1 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用282.3.2 電子與物質(zhì)的相互作用292.3.3 γ射線與物質(zhì)的相互作用302.4 原子核反應(yīng)322.4.1 原子核反應(yīng)的守恒定律與反應(yīng)道332.4.2 核反應(yīng)的反應(yīng)能342.4.3 核反應(yīng)截面與產(chǎn)額352.4.4 核反應(yīng)過程362.5 中子物理學(xué)基礎(chǔ)382.5.1 中子與物質(zhì)相互作用392.5.2 核裂變與核聚變402.5.3 中子慢化與擴散44參考文獻483 商用核電技術(shù)/493.1 核裂變反應(yīng)堆物理熱工設(shè)計493.1.1 鏈式裂變反應(yīng)與反應(yīng)堆臨界493.1.2 反應(yīng)堆時空動力學(xué)513.1.3 反應(yīng)性、反應(yīng)性系數(shù)與剩余反應(yīng)性523.1.4 反應(yīng)堆釋熱與冷卻543.1.5 核電廠工程熱力學(xué)與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)593.2 現(xiàn)有商用核電技術(shù)613.2.1 壓水堆核電廠623.2.2 沸水堆核電廠643.2.3 重水堆核電廠673.2.4 氣冷堆與高溫氣冷堆核電廠693.2.5 石墨慢化水冷堆核電廠733.2.6 液態(tài)金屬冷卻快堆核電廠753.3 商用核電廠的核燃料循環(huán)技術(shù)783.3.1 天然鈾或低濃鈾燃料一次通過793.3.2 MOX燃料循環(huán)803.3.3 低濃鈾PWR+CANDU兩次通過813.3.4 快堆閉式燃料循環(huán)813.3.5 釷鈾燃料循環(huán)84參考文獻854 核安全與核能經(jīng)濟競爭力/864.1 核電廠的安全性864.1.1 核電廠的核安全風(fēng)險884.1.2 “縱深防御”原則894.1.3 核電廠設(shè)計基準事故與超設(shè)計基準事故914.1.4 核電廠的安全文化924.1.5 核電廠的安全監(jiān)管934.2 核電廠核安全專設(shè)系統(tǒng)944.2.1 臨界安全及反應(yīng)性控制954.2.2 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)完整性保護964.2.3 余熱排出及最終熱阱964.2.4 安全殼完整性保護984.3 核電廠的安全性與經(jīng)濟性的關(guān)系994.3.1 安全系統(tǒng)與安全功能的冗余1004.3.2 非能動安全或固有安全：核電廠設(shè)計理念的革新1014.3.3 核安全風(fēng)險管理102參考文獻1025 中國核電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀/1035.1 中國核能工業(yè)發(fā)展的歷史回顧1035.1.1 核武器的自主研發(fā)1055.1.2 核潛艇的自主研發(fā)1065.1.3 核反應(yīng)堆的自主研發(fā)1075.1.4 核電廠技術(shù)的自主研發(fā)1085.1.5 核電廠技術(shù)的引進、消化和國產(chǎn)化1095.2 中國核電技術(shù)發(fā)展的技術(shù)路線1105.2.1 壓水堆?快中子增殖堆?聚變堆技術(shù)路線1105.2.2 高溫氣冷堆的作用1115.2.3 CANDU堆的作用1125.2.4 壓水堆標準化與核電技術(shù)多樣化1135.2.5 中國核燃料循環(huán)工業(yè)1145.3 中國核能中長期發(fā)展前景1155.3.1 中國核電的潛在市場1165.3.2 中國核電工業(yè)發(fā)展的技術(shù)選擇1165.3.3 中國核電工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)117參考文獻1196 核能的新紀元/1206.1 全球氣候變暖與核能的新機遇1206.1.1 全球氣候變暖的現(xiàn)狀1206.1.2 減少溫室氣體排放的全球行動1216.1.3 核能在全球減少溫室氣體排放行動中的潛力1216.2 核能：大規(guī)模電力生產(chǎn)的主要低碳能源1226.3 迎接核能新紀元的技術(shù)準備1236.3.1 近期能建造的第三代先進商用核電技術(shù)1246.3.2 中長期可持續(xù)發(fā)展的第四代先進核能系統(tǒng)1266.3.3 核能的工藝熱應(yīng)用1356.3.4 防止核擴散1376.3.5 乏燃料的處置1386.3.6 核能的公眾接受性138參考文獻1397 未來的新型核能/1407.1 加速器驅(qū)動的清潔核能系統(tǒng)1407.1.1 質(zhì)子加速器驅(qū)動的次臨界少錒材料嬗變焚燒器1417.1.2 質(zhì)子加速器驅(qū)動的次臨界能量放大器1437.2 磁約束核聚變及聚變系統(tǒng)1447.2.1 托卡馬克等離子體磁約束技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1467.2.2 國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆ITER計劃1477.2.3 氚增殖包層技術(shù)與未來商用磁約束核聚變發(fā)電系統(tǒng)1487.3 聚變-裂變混合堆1497.3.1 聚變中子源驅(qū)動的液態(tài)鋰鉛冷卻次臨界混合堆1507.3.2 聚變中子源驅(qū)動的深度次臨界水冷產(chǎn)能混合堆1517.4 慣性核聚變系統(tǒng)1527.4.1 激光束直接點火1547.4.2 激光束間接點火1557.4.3 Z-箍縮點火1557.4.4 高效核爆核聚變發(fā)電系統(tǒng)156參考文獻1578 中國核能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略/1588.1 核燃料資源可持續(xù)性供應(yīng)的保障1588.2 核能可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保障1618.3 核能可持續(xù)發(fā)展的法律與金融保障1648.4 核能可持續(xù)發(fā)展的研發(fā)創(chuàng)新能力保障1658.5 核能工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的人力資源保障165結(jié)束語166參考文獻168

章節(jié)摘錄

　　1 概述　　“物有本末，事有終始，知所先后，則近道矣”引自《大學(xué)》一書，論述了中國古代偉大的思想家孔丘對自然界萬事萬物規(guī)律的認識論觀點?？追蜃诱J為：宇宙萬物都有其根本規(guī)律，事情的發(fā)生和演變都有其因果關(guān)系，人們只要知道了事情的前因后果，就接近掌握萬物的根本規(guī)律了。本書以追溯人類對原子、原子核的認識，以核能科學(xué)和技術(shù)發(fā)展史為主線描述面向未來的新型核能技術(shù)，以及相關(guān)的基礎(chǔ)理論的概念、應(yīng)用與發(fā)展前景。　　當前世界核能技術(shù)的發(fā)展趨勢為兩個層面，首先是改進現(xiàn)有核電廠的經(jīng)濟性和安全性，為擴大核電容量尋求發(fā)展機遇；其次是研發(fā)提高核電反應(yīng)堆利用核材料效率、減少放射性產(chǎn)物地質(zhì)處置量的新途徑，為核能長期可持續(xù)發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)中國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展對能源的需求以及中國現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，本書分析了中國積極發(fā)展核電的必要性，論述了核能發(fā)電技術(shù)長期可持續(xù)發(fā)展　　核能在20世紀60～70年代的第一次石油危機中得到了第一次大發(fā)展的機遇，目前世界上大多數(shù)核電廠采用的都是在那個時代迅速發(fā)展起來的反應(yīng)堆技術(shù)，主要包括壓水堆、沸水堆、坎杜壓力管重水堆、氣冷堆和壓力管水冷石墨堆。雖然在1979年發(fā)生了美國三哩島核電廠堆芯嚴重熔化事故，1986年發(fā)生了蘇聯(lián)切爾諾貝利核電廠堆芯解體、并向環(huán)境排放大量放射性產(chǎn)物的嚴重事故，從而極大影響了核能健康發(fā)展的步伐，但核能在逆境中經(jīng)受住了挫折的打擊，整個核工業(yè)體系在面臨全面退出的社會壓力下艱難地保存了下來?！　『四芗夹g(shù)、特別是與核安全相關(guān)的技術(shù)在挫折中獲得了改善和提高的重大機遇。在20世紀最后二十年的時間內(nèi)，一些有明顯技術(shù)缺陷和缺乏商業(yè)競爭力的早期核電技術(shù)，如美國和法國的早期快堆核電廠、德國和美國的早期高溫氣冷堆核電廠、英國的早期氣冷堆核電廠以及俄國壓力管水冷石墨堆核電廠都已經(jīng)或正在逐漸步人全面退出商業(yè)運行的階段。縱觀當今遍布世界各國的核電廠，只有采用壓水堆、沸水堆、坎杜壓力管重水堆的商用核電廠，由于已經(jīng)獲得商業(yè)運營規(guī)?；图夹g(shù)成熟性的支撐，才能在非常苛刻的核安全監(jiān)管條件下，面對激烈的商業(yè)競爭，通過運行和監(jiān)管技術(shù)的改進而得以生存，并保持繼續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。以先進安全分析程序的開發(fā)和驗證、概率風(fēng)險安全評價技術(shù)和新安全監(jiān)督管理法規(guī)為標志的技術(shù)進步，既極大地改善了現(xiàn)有核電廠的安全性，也為現(xiàn)有核電產(chǎn)業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟性，為核電在世界范圍全面復(fù)蘇奠定了堅實的人力、技術(shù)和經(jīng)濟基礎(chǔ)，并保持了核能產(chǎn)業(yè)高速擴張的良好環(huán)境。

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