参观山东核电科技馆

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在烟台期间我们去参观了山东核电科技馆。山东核电科技馆位于烟台市高新技术产业区港城东大街15号，是一座近似圆形四层建筑，中间有一个圆形的中庭，中间安放着核电站设备模型。二、三层是展馆，设置"人类与能源""神奇的核电""走进核电站""未来能源"四大主题展区。场馆采用全息成像、4D影院等科技手段，通过51个互动展项普及核能知识。用身份证登记即可免费参观。 科技馆入口大厅 人类与能源展厅 圆形中庭展示的核电站设备模型，都是按比例缩小制作的。 这是从三楼看到中庭安放的核电站设备模型 反应堆 左面是蒸汽发生器，右面是稳压器。 蒸汽发生器上部剖面 反应堆冷却泵 冷却泵剖面 来到二楼观看“神奇的核能”展区 这里记录了全球著名的核物理学家的名字 1896年贝克勒尔在研究铀矿的荧光现象时发现铀盐矿发射出类似 X 射线的穿透性辐射。两年后，法国物理学家居里夫人从铀矿中发现另外两个新元素钚和镭。自然界中放射性无处不在，我们吃的食物、住的房屋、天空大地、山川草木，乃至人的身体内都存在放射性核素。 核能从哪里来爱因斯坦（ Einstein ）在其著名的相对论中列出了质量和能量相互转换的公式：E=mc² ，其中， E 为能量（焦耳）, m 为质量（千克）, c 为光速（在真空中约3x105米／秒）。这一公式表明，少量的质量转换为能量就十分巨大，揭示了核能来源的物理规律。我们用中子去轰击铀原子核，它能分裂成两个质量差不多的原子核，这两种原子核的质量之和比铀原子核的质量要小，这就是发生了质量亏损，从而放出了能量，我们把这个过程叫做核裂变，如原子弹爆炸，核电站发电等。核裂变时，不仅产生能量，还会同时产生2-3个新中子，这2-3个新中子打在2-3个新的铀原子核上引起裂变，再产生4-6个新中子，而它们打在4-6个新的铀原子核上引起裂变，再继续产生8-12个新中子……如此循环下去，就有可能产生无数个核裂变，这种反应就叫做核裂变的链式反应，或称为链式裂变反应。 核物理学的定义核物理学又称原子核物理学，是20世纪新建立的一个物理学分支。它研究原子核的结构和变化规律；射线束的产生、探测和分析技术；以及同核能、核技术应用有关的物理问题。它是一门既有深刻理论意义，又有重大实践意义的学科。 核物理学发展史1896年，贝克勒尔发现天然放射性，现在通常把这一重大发现看成是核物理学的开端，此后的40多年，人们主要从事放射性衰变规律核射线性质的研究，这是核物理发展的初期阶段。在这个阶段人类相继确立了衰变规律的统计性，原子的核式结构，发现了中子，实现了人工放射性核素合成，各种加速器也逐渐成型。20世纪40年代前后，核物理进入一个大发展的阶段，1939年，哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象，1942年，费密建立了第一个链式裂变反应堆，这是人类掌握核能源的开端。由此以后，核物理学的发展，不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据，从而提高了核能利用的效率核经济指标，为更大规模的核能利用准备了条件，与此同时，人工制备的各种同位素的应用也逐渐遍及人类生活的各个领域。 我们很多人对核能的了解是从原子弹开始的，最早德国科学家把核裂变用于军事，二战后期美国制造出第一枚原子弹，后来在太平洋战争中投放到日本，使全世界的人都知道了核爆炸的威力。 中国的原子弹模型 中国的氢弹模型 核技术在不同的应用领域 其实核辐射在各个领域都有成熟的应用，如工业生产、医疗检查和治疗、农业育种等等。 全球核物理研究著名实验室 在人类科学技术史中，核物理研究和核能利用，离不开全球这些著名的实验室。 世界十大经典物理实验 世界著名核物理学家 当然，人类核物理研究的成果，离不开全球这些著名的科学家。他们之中不少是诺贝尔奖获得者。 电气化时代1831年，英国科学家法拉第发现电磁感应现象，根据这一现象，科学家们不断完善电学理论和进行发电机的研制。1866年，德国科学家西门子制成一部发电机。发电机的发明和电能的利用使得人类进入到了一个崭新的时代。人类自1957年以来利用核能发电，大约自1970年以来利用太阳能发电、风能、地热能、潮汐能的开发和利用也在进行中，多能源时代的到来，世界发生了翻天覆地的变化，人类的生活更舒适便利。新能源（尤其是核能）的不断开发和利用，让我们相信明天会更加美好。 中国2021年不同的能源发电量的比例。那时候火力发电量仍然占最大比例，其次是水电。核电的比例只有4.8%。 原子弹和核电站的区别虽然原子弹中的核燃料和核电站的核燃料都是含有铀-235或钚-239，但它们的单位体积含量相差很大。原子弹由浓度为90％以上的铀-235或钚-239和复杂精密的引爆装置构成。引爆装置使烈性炸药爆炸，将高浓度的铀﹣235或钚-239迅猛压紧，使它瞬间形成剧烈的、不受控制的链式裂变反应，巨大的能量在瞬间释放出来，发生核爆炸。压水堆核电站反应堆内铀﹣235的浓度低于5%，一般为3%~5％左右，在任何情况下都不可能紧聚在一起发生核爆炸，而且反应堆还有多重安全保护系统，事故概率极低。这好比是高纯度白酒与低度啤酒的可燃性差别，白酒因酒精含量高而可能被点燃，啤酒因酒精含量低不可能被点燃。所以，核电站反应堆不会像原子弹一样爆炸。说句题外话，在2025年6月以色列空袭伊朗核设施之前，伊朗已经拥有约440.9公斤纯度为60%的浓缩铀。而核电站反应堆使用的铀﹣235的浓度为为3%~5％左右，说是和平利用核能，哪些人群会相信呢？ 核能与核裂变核能：铀﹣235原子核在中子的轰击下可以发生核裂变并同时释放出能量，此外，铀﹣233、钚﹣239等也可发生核裂变反应。核裂变反应放出的能量就是核能。核裂变：当一个铀﹣235原子核吸收一个中子后，这个原子核由于内部不稳定而分裂成两个或多个质量较小的原子核（称为裂变碎片），这种现象叫做核裂变。每次核裂变可释放约200兆电子伏能量和2-3个新的中子。 AP1000压水堆核电站的发电原理核燃料在反应堆内发生裂变反应而产生大量能量，高温高压的一回路冷却水把这些能量带出反应堆，并在蒸汽发生器内传给二次侧的水，使它们变为蒸汽，蒸汽推动汽轮机带动发电机发电。压水堆核电站可分为一、二、三回路，它们共同实现了核能发电的功能。一回路：反应堆堆芯因核燃料裂变产生巨大的能量，高温高压的冷却水由主泵泵入堆芯带走热量，然后流经蒸汽发生器内的传热 U 型管，通过管壁将热能传递给 U 型管外的二回路冷却水，释放热量后又被主泵送回堆芯重新加热再进入蒸汽发生器。水这样不断的在密闭的回路内循环，被称为一回路。二回路：蒸汽发生器 U 型管外的二回路水受热变成蒸汽，推动汽轮机做功带动发电机发电，把热能转化为电能；做完功后的蒸汽进入冷凝器冷却，凝结水经给水泵送回蒸汽发生器，重新加热成为蒸汽。这个回路循环，被称为二回路。三回路：循环水泵泵入海水，用于冷却冷凝器中二回路做完功的蒸汽，使其变成冷凝水。核电站三个回路依此往复循环，将反应堆的核能源源不断地转化为电能。 这是压水堆核电站模型 这就是核电站的核岛模型 反应堆压力容器模型 AP1000反应堆厂房由两道安全壳组成，其中内层安全壳为钢制容器。钢制安全壳容器为密封容器，能防止放射性物质向外释放，同时作为最终热阱的换热界面。钢制安全壳容器是非能动安全壳冷却系统组成中的一个完整部分，事故情况下，能将安全壳内的热量传递给壳外的冷却系统，从而防止事故情况下安全壳内超温超压，保证安全壳的完整性。钢制安全壳的设计参数直径：39.6m材料：SA738, Grade B 设计压力：0.41Mpa高度：65.6m容积：56000m3设计温度：148.9℃平均壁厚：44.4mm 反应堆厂房外层安全壳为钢筋混凝土结构的构筑物，其筒体墙壁厚度为0.914m。屏蔽构筑物的作用是为内层钢制安全壳及内部设备提供屏蔽保护，它能抵御外部事件（如龙卷风、飞射物）的影响，保证内层钢制安全壳的完整性。屏蔽构筑物本身也是非能动安全壳冷却系统的一个组成部分，其所形成的外部空气自然循环流道能带走部分内层钢制安全壳所传递的热量。 这就是蒸汽轮机和发电机模型从这里可以看出，核电站发电流程的后半部分与火电厂是一样的，都是用蒸汽驱动汽轮机，将热能转换成机械能，再拖动发电机，将机械能转换成电能。所以核电站发出的电和火电厂发出的电，质量是一样的。 核电站燃料的制备和生产 铀矿石勘探和开采铀矿取得铀矿石黄饼铀矿石经过选矿和化学精制，加工为铀精矿（主要化学形态为U2Os，俗称"黄饼．"此时铀的同位素 U -235含量仍为天然比例）。 仔细看看铀矿石的真面目 六氟化铀为便于将 U -235丰度提高到核电厂使用的程度，将铀的化学形态转变为六氟化铀，以进行浓缩。二氧化铀将浓缩后的六氟化铀产品经过化工转化，制成二氧化铀陶瓷芯块。 燃料芯块将浓缩的二氧化铀粉末制成陶瓷燃料芯块，然后装配成燃料棒，并和其它精密器件一起装配成核燃料组件。反应堆将燃料组件装入反应堆，发生可控核裂变，并将裂变产生的能量用于发电，实现核能的利用。 制造出的燃料芯样子 核电站的构成和设备 这是一座核电站的俯瞰图 一座核电站一般都会包含以下的设备和厂房 其他各种核反应堆的原理图 除了压水堆核电站以外，还有其他几种形式的核电系统。 快中子堆是我国目前研究前沿的反应堆 核电站的运行和控制 核反应堆中的核燃料（如铀﹣235）在中子轰击下发生核裂变反应，释放出能量和中子，中子再去撞击其它铀-235原子，引发持续的链式反应。通过控制棒（如含镉、硼材料）调节中子数量以控制反应强度，确保稳定运行。冷却剂则负责带出热量，实现能量转化。 核电站的长期运行和燃料更换 核电站的运行安全 全球的核电站曾经发生过几次影响深远的事故，例如前苏联切尔诺贝利核电站、日本福岛核电站，这两次事故都被定为七级事故。这些核电站事故造成了巨大的人员伤亡、财产损失和环境污染。是全人类的灾难！所以核电站的运行安全是人们最关心的问题。 为了保证核电站的安全，目前建有四道安全屏障。 核电站人员和异物的保护 什么是非能动安全核电站安全保护系统不依靠外部电力驱动泵、风机等设备，单纯依靠重力、温差和膨胀等自然力来驱动安全设备，并通过蒸发、冷凝、对流、自然循环来带走热量的系统被称为非能动安全系统。AP1000设计与二代压水堆设计相比的最大优点在于AP1000使用非能动的安全系统来减缓设计工况中预期有可能发生的意外事故，提高电站的安全性。它不需要任何泵来驱动流体，也就不需要交流电源，因此AP1000核电厂取消了要求极高的安全级应急电源。AP1000核电站设计了三类非能动安全系统：1、非能动堆芯冷却系统（ PXS )非能动余热排出系统非能动安全注射系统2、非能动安全壳冷却系统（ PCS )3、主控室应急可居留系统（ VES ) 非动能安全保护 AP1000非能动余热排出系统AP1000设计理念上的革命性变化，就是在传统成熟的压水堆核电技术的基础上，引入了非能动安全系统的念。非能动余热排出系统是AP1000核电站的重要安全保护系统，可实现在无需外用动力和电源情况下，依靠热、冷流体的密度差产生的自然对流将反应堆堆芯余热自然排出。 非能动自然循环装置水加热后密度会降低，冷却后密度会升高，加热后的管段与冷却后的管段由于水的密度差，造成冷管段底部压力比热管段底部压力高，因而形成了驱动力，从而形成了流动。这就是非能动自然循环装置的原理。在本装置中水的冷却也是利用房间的空气自然流动进行，因此本装置的运行不需要任何电动装置或能动装置。在AP1000核电站中广泛采用了这种设计，即使在外部电源丧失时，也能确保反应堆得到冷却从而确保反应堆安全。 核电站运行中的安全检测 反应堆压力容器的检测 核废物的处理 世界核电发展的历程和展望 中国核电现状和未来 第四代核电技术——快堆 快中子堆（快堆）的模型 全球核聚变研究进展 大家都知道核电站发电原理是核裂变反应，核裂变是重原子核分裂成较轻原子核的过程。而核聚变是轻原子核结合成较重原子核的过程。核裂变原料为铀、钚（储量有限），产物具强放射性（如锶﹣90、铯﹣137)，半衰期长。核聚变原料为氘（海水提取）、氚，产物主要为氦（惰性气体），放射性低且易处理。相同质量下，聚变释放能量是裂变的3-4倍。聚变释放的能量更大、原料更丰富且污染更小，所以世界各国都在加紧研究。2007年10月24日，国际热核聚变实验堆（ITER）组织在法国卡达拉舍（Cadarache）正式成立，这标志着目前全球规模最大的国际科技合作协议正式启动。2023年，我国在该领域取得了显著进展：全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）已经在多个实验中取得了重要成果；核聚变大科学装置“中国环流三号”面向全球开放，邀请世界各国科学家来中国集智攻关。2025年9月，美国在核聚变技术领域取得显著进展，劳伦斯利弗莫尔国家实验室首次实现核聚变反应的“净能量增益”，即输出能量超过输入能量，标志着技术突破的关键里程碑‌。今年10月1日，德国政府在柏林的联邦内阁会议上通过了一项名为“德国迈向核聚变发电站”的行动方案，力图在德国建造世界上第一座核聚变发电站。2025年10月1日，在安徽合肥，中国紧凑型聚变能实验装置BEST项目取得关键突破，杜瓦底座成功安装就位，标志着项目主体工程建设进入新阶段‌。 从上面这张2024年中国不同能源发电量表中，可以看到我国火电发电量在下降，而风电、太阳能发电比例有了明显上升。对保护环境、降低碳排放起到显著的作用。但是从电能质量来讲，火电、水电、核电、光热储能电站对电网和输配电很友好，而光伏发电和风电如果输入电网比例大了以后，会对电网造成负面影响。这是因为前者最终都是由蒸汽轮机带动发电机发出来的电，而后者产生的电能需要经过逆变成为50HZ的交流电输入电网，逆变过程中产生的谐波会对电网安全造成影响。电能是一种不好储存的能源，电能的生产和使用还有一个时间上的差别，这就是电网的调峰问题。不管是火电、核电都是连续生产无法频繁开停的，而用电量却存在明显的时间差异，白昼用电量大夜间用电量小。光伏发电是反调峰的，这是缺点。所以我国目前将很多水电站改为调峰电站，因为水电站可以随时开、停机。现在全国还建设了多个抽水储能电站，也是为了电网的调峰。随着核聚变研究的进展，我们希望不久的将来，核聚变发电能够造福人类，给人类带了更多的光明。感谢朋友们的阅读！