新型核能技術(shù)

前言

　　經(jīng)過(guò)三十年的高速發(fā)展，中國(guó)經(jīng)濟(jì)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(guó)未來(lái)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的命脈。在世界經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的同時(shí)，因人類(lèi)耗費(fèi)大量化石能源造成全球氣候變暖的問(wèn)題越來(lái)越受到全人類(lèi)的關(guān)注。減排溫室氣體、建立低碳經(jīng)濟(jì)體系的政治呼吁，正逐漸對(duì)全球經(jīng)濟(jì)、政治和社會(huì)活動(dòng)形成巨大的沖擊。人類(lèi)必須尋求可持續(xù)發(fā)展的能源道路，必須盡力推動(dòng)風(fēng)能、太陽(yáng)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(lái)高速發(fā)展的歷史機(jī)遇?！　榱藵M足那些關(guān)心世界核能技術(shù)的現(xiàn)狀、并對(duì)核能技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)感興趣、但缺乏核能行業(yè)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的讀者的需要，本書(shū)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(zhuān)業(yè)知識(shí)，以期望能夠幫助這些讀者能更準(zhǔn)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。　　本書(shū)共分8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(jiǎn)述核能技術(shù)所涉及主要核物理基礎(chǔ)知識(shí)；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(jì)基礎(chǔ)知識(shí)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(jì)競(jìng)爭(zhēng)力問(wèn)題；第5章回顧中國(guó)核能工業(yè)的發(fā)展歷程和中國(guó)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(lái)的核能新紀(jì)元，以及第四代先進(jìn)核能技術(shù)；第7章概述未來(lái)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(dòng)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(guó)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(guó)核能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略?！　”緯?shū)的內(nèi)容和知識(shí)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(zhuān)業(yè)人士或在讀研究生了解核能基本專(zhuān)業(yè)知識(shí)的參考讀物?！　”緯?shū)的內(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(shū)的第六章的基礎(chǔ)上擴(kuò)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(duì)本書(shū)的出版給予了大力的支持。在此表示誠(chéng)摯的致謝?！　∮捎诮陙?lái)核能技術(shù)正沿著更安全、更經(jīng)濟(jì)、更強(qiáng)調(diào)防止核擴(kuò)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(jìn)，在新的概念設(shè)計(jì)、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(shū)作者水平有限，歡迎讀者堅(jiān)持科學(xué)批判精神，對(duì)本書(shū)的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、書(shū)中不當(dāng)之處進(jìn)行自由爭(zhēng)論和批評(píng)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(shí)。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(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，中國(guó)核電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，核能的新紀(jì)元，未來(lái)的新型核能，中國(guó)核能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 讀者對(duì)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(zhuān)業(yè)師生可以參考使用。

作者簡(jiǎn)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(guó)家磁約束聚變專(zhuān)家委員會(huì)委員，磁約束核聚變教育部研究中心學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，教育部ICF重大專(zhuān)項(xiàng)專(zhuān)家組成員，《原子能科學(xué)技術(shù)》和《核電》編委，全國(guó)反應(yīng)堆熱工流體專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員。于1989年和1984年在清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院分別獲反應(yīng)堆工程與安全專(zhuān)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(zhuān)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(wèn)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(guó)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(jī)評(píng)標(biāo)技術(shù)專(zhuān)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(zhǎng)。近期相關(guān)主要研究工作包括：高溫氣冷堆全范圍實(shí)時(shí)模擬機(jī)技術(shù)研究；核電站嚴(yán)重事故氫風(fēng)險(xiǎn)分析及堆芯損壞評(píng)價(jià)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(guó)際國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)期刊及國(guó)際會(huì)議發(fā)表論文超過(guò)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(jì)算》及《新能源概論一核能篇》等研究生學(xué)位課程。

書(shū)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?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的實(shí)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(xiàn)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(guò)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(kuò)散44參考文獻(xiàn)483 商用核電技術(shù)/493.1 核裂變反應(yīng)堆物理熱工設(shè)計(jì)493.1.1 鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)與反應(yīng)堆臨界493.1.2 反應(yīng)堆時(shí)空動(dòng)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(guò)793.3.2 MOX燃料循環(huán)803.3.3 低濃鈾PWR+CANDU兩次通過(guò)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(xiàn)854 核安全與核能經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力/864.1 核電廠的安全性864.1.1 核電廠的核安全風(fēng)險(xiǎn)884.1.2 “縱深防御”原則894.1.3 核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故與超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(zhuān)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(hù)964.2.3 余熱排出及最終熱阱964.2.4 安全殼完整性保護(hù)984.3 核電廠的安全性與經(jīng)濟(jì)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(dòng)安全或固有安全：核電廠設(shè)計(jì)理念的革新1014.3.3 核安全風(fēng)險(xiǎn)管理102參考文獻(xiàn)1025 中國(guó)核電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀/1035.1 中國(guó)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(jìn)、消化和國(guó)產(chǎn)化1095.2 中國(guó)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(biāo)準(zhǔn)化與核電技術(shù)多樣化1135.2.5 中國(guó)核燃料循環(huán)工業(yè)1145.3 中國(guó)核能中長(zhǎng)期發(fā)展前景1155.3.1 中國(guó)核電的潛在市場(chǎng)1165.3.2 中國(guó)核電工業(yè)發(fā)展的技術(shù)選擇1165.3.3 中國(guó)核電工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)117參考文獻(xiàn)1196 核能的新紀(jì)元/1206.1 全球氣候變暖與核能的新機(jī)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(dòng)1216.1.3 核能在全球減少溫室氣體排放行動(dòng)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(jì)元的技術(shù)準(zhǔn)備1236.3.1 近期能建造的第三代先進(jìn)商用核電技術(shù)1246.3.2 中長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)1266.3.3 核能的工藝熱應(yīng)用1356.3.4 防止核擴(kuò)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(xiàn)1397 未來(lái)的新型核能/1407.1 加速器驅(qū)動(dòng)的清潔核能系統(tǒng)1407.1.1 質(zhì)子加速器驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆ITER計(jì)劃1477.2.3 氚增殖包層技術(shù)與未來(lái)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)火1547.4.2 激光束間接點(diǎn)火1557.4.3 Z-箍縮點(diǎn)火1557.4.4 高效核爆核聚變發(fā)電系統(tǒng)156參考文獻(xiàn)1578 中國(guó)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(yǔ)166參考文獻(xiàn)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(shū)，論述了中國(guó)古代偉大的思想家孔丘對(duì)自然界萬(wàn)事萬(wàn)物規(guī)律的認(rèn)識(shí)論觀點(diǎn)。孔夫子認(rèn)為：宇宙萬(wàn)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(wàn)物的根本規(guī)律了。本書(shū)以追溯人類(lèi)對(duì)原子、原子核的認(rèn)識(shí)，以核能科學(xué)和技術(shù)發(fā)展史為主線描述面向未來(lái)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?！　‘?dāng)前世界核能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)為兩個(gè)層面，首先是改進(jìn)現(xiàn)有核電廠的經(jīng)濟(jì)性和安全性，為擴(kuò)大核電容量尋求發(fā)展機(jī)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(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)中國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展對(duì)能源的需求以及中國(guó)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，本書(shū)分析了中國(guó)積極發(fā)展核電的必要性，論述了核能發(fā)電技術(shù)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展　　核能在20世紀(jì)60～70年代的第一次石油危機(jī)中得到了第一次大發(fā)展的機(jī)遇，目前世界上大多數(shù)核電廠采用的都是在那個(gè)時(shí)代迅速發(fā)展起來(lái)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(guó)三哩島核電廠堆芯嚴(yán)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(yán)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(gè)核工業(yè)體系在面臨全面退出的社會(huì)壓力下艱難地保存了下來(lái)?！　『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(jī)遇。在20世紀(jì)最后二十年的時(shí)間內(nèi)，一些有明顯技術(shù)缺陷和缺乏商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的早期核電技術(shù)，如美國(guó)和法國(guó)的早期快堆核電廠、德國(guó)和美國(guó)的早期高溫氣冷堆核電廠、英國(guó)的早期氣冷堆核電廠以及俄國(guó)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(yùn)行的階段。縱觀當(dāng)今遍布世界各國(guó)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(yùn)營(yíng)規(guī)?；图夹g(shù)成熟性的支撐，才能在非?？量痰暮税踩O(jiān)管條件下，面對(duì)激烈的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，通過(guò)運(yùn)行和監(jiān)管技術(shù)的改進(jìn)而得以生存，并保持繼續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。以先進(jìn)安全分析程序的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證、概率風(fēng)險(xiǎn)安全評(píng)價(jià)技術(shù)和新安全監(jiān)督管理法規(guī)為標(biāo)志的技術(shù)進(jìn)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(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)性，為核電在世界范圍全面復(fù)蘇奠定了堅(jiān)實(shí)的人力、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，并保持了核能產(chǎn)業(yè)高速擴(kuò)張的良好環(huán)境。

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