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核电站之核反应堆(1)

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2011/1/10 10:58:02   

  所属频道:  核电    关键词:  核电站 核反应堆

  核反应堆,又称为原子反应堆或反应堆,是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。

  简介

  核反应堆

  (核)反应堆(nuclear)reactor能维持可控自持链式核裂变反应的装置。指任何含有其核燃料按此种方式布置的结构,使得在无需补加中子源的条件下能在其中发生自持链式核裂变过程。注释:更广泛的意义上讲,反应堆这一术语应覆盖裂变堆、聚变堆、裂变聚变混合堆,但一般情况下仅指裂变堆。核反应堆,又称为原子反应堆或反应堆,是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。

  类型

  核反应堆内部

  根据用途,核反应堆可以分为以下几种类型①将中子束用于实验或利用中子束的核反应,包括研究堆、材料实验等。②生产放射性同位素的核反应堆。③生产核裂变物质的核反应堆,称为生产堆。④提供取暖、海水淡化、化工等用的热量的核反应堆,比如多目的堆。⑤为发电而发生热量的核反应,称为发电堆。⑥用于推进船舶、飞机、火箭等到的核反应堆,称为推进堆。另外,核反应堆根据燃料类型分为天然气铀堆、浓缩铀堆、钍堆;根据中子能量分为快中子堆和热中子堆;根据冷却剂(载热剂)材料分为水冷堆、气冷堆、有机液冷堆、液态金属冷堆;根据慢化剂(减速剂)分为石墨堆、重水堆、压水堆、沸水堆、有机堆、熔盐堆、铍堆;根据中子通量分为高通量堆和一般能量堆;根据热工状态分为沸腾堆、非沸腾堆、压水堆;根据运行方式分为脉冲堆和稳态堆,等等。核反应堆概念上可有900多种设计,但现实上非常有限。

  工作原理

  核反应堆是核电站的心脏,它的工作原理是这样的:原子由原子核与核外电子组成。原子核由质子与中子组成。当铀235的原子核受到外来中子轰击时,一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核,同时放出2—3个中子。这裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子核,引起新的裂变。如此持续进行就是裂变的链式反应。链式反应产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水核反应堆

  变成水蒸气,推动气轮机发电。由此可知,核反应堆最基本的组成是裂变原子核+热载体。但是只有这两项是不能工作的。因为,高速中子会大量飞散,这就需要使中子减速增加与原子核碰撞的机会;核反应堆要依人的意愿决定工作状态,这就要有控制设施;铀及裂变产物都有强放射性,会对人造成伤害,因此必须有可靠的防护措施。综上所述,核反应堆的合理结构应该是:核燃料+慢化剂+热载体+控制设施+防护装置。还需要说明的是,铀矿石不能直接做核燃料。铀矿石要经过精选、碾碎、酸浸、浓缩等程序,制成有一定铀含量、一定几何形状的铀棒才能参与反应堆工作。

  用途

  核裂变时既释放出大量能量、又释放出大量中子。核反应堆有许多用途,但归结起来,-是利用裂变核能,二是利用裂变中子。核反应堆

  核能主要用于发电,但它在其它方面也有广泛的应用。例如核能供热、核动力等。核能供热是廿世纪八十年代才发展起来的一项新技术,这是一种经济、安全、清洁的热源,因而在世界上受到广泛重视。在能源结构上,用于低温(如供暖等)的热源,占总热耗量的一半左右,这部分热多由直接燃煤取得,因而给环境造成严重污染。在我国能源结构中,近70%的能量是以热能形式消耗的,而其中约60%是120℃以下的低温热能,所以发展核反应堆低温供热,对缓解供应和运输紧张、净化环境、减少污染等方面都有十分重要的意义。核供热是一种前途远大的核能利用方式。核供热不仅可用于居民冬季采暖,也可用于工业供热。特别是高温气冷堆可以提供高温热源,能用于煤的气化、炼铁等耗核反应堆

  热巨大的行业。核能既然可以用来供热、也一定可以用来制冷。清华大学在五兆瓦的低温供热堆上已经进行过成功的试验。核供热的另一个潜在的大用途是海水淡化。在各种海水淡化方案中,采用核供热是经济性最好的一种。在中东、北非地区,由于缺乏淡水,海水淡化的需求是很大的。核能又是一种具有独特优越性的动力。因为它不需要空气助燃,可作为地下、水中和太空缺乏空气环境下的特殊动力;又由于它少耗料、高能量,是一种一次装料后可以长时间供能的特殊动力。例如,它可作为火箭、宇宙飞船、人造卫星、潜艇、航空母舰等的特殊动力。将来核动力可能会用于星际航行。现在人类进行的太空探索,还局限于太阳系,故飞行器所需能量不大,用太阳能电池就可以了。如要到太阳系外其他星系探索,核动力恐怕是唯一的选择。美、俄等国-直在从事核动力卫星的研究开发,旨在把发电能力达上百千瓦的发电核反应堆

  设备装在卫星上。由于有了大功率电源,卫星在通讯、军事等方面的威力将大大增强。1997年10月15日美国宇航局发射的“卡西尼”号核动力空间探测飞船,它要飞往土星,历时7年,行程长达35亿公里漫长的旅途。核动力推进,目前主要用于核潜艇、核航空母舰和核破冰船。由于核能的能量密度大、只需要少量核燃料就能运行很长时间,这在军事上有很大优越性。尤其是核裂变能的产生不需要氧气,故核潜艇可在水下长时间航行。正因为核动力推进有如此大的优越性,故几十年来全世界己制造的用于舰船推进的核反应堆数目已达数核反应堆

  百座、超过了核电站中的反应堆数目(当然其功率远小于核电站反应堆)。现在核航空母舰、核驱逐舰、核巡洋舰与核潜艇一起,已形成了一支强大的海上核力量。核反应堆的第二大用途就是利用链式裂变反应中放出的大量中子。这方面的用途是非常多的,我们这里仅举少量几个例子。我们知道,许多稳定的元素的原子核如果再吸收一个中子就会变成一种放射性同位素。因此反应堆可用来大量生产各种放射性同位素。放射性同位素在工业、农业、医学上的广泛用途现在几乎是尽人皆知的了。还有,现在工业、医学和科研中经常需用一种带有极微小孔洞的薄膜,用来过滤、去除溶液中的极细小的杂质或细菌之类。在反应堆中用中子轰击薄膜材料可以生成极微小的孔洞,达到上述技术要求。利用反应堆中的中子还可以生产优质半导体材料。我们知道在单晶硅中必须掺入少量其他材料,才能变成半导体,例如掺入磷元素。一般是采用扩散方法,在炉核反应堆

  子里让磷蒸汽通过硅片表面渗进去。但这样做效果不是太理想,硅中磷的浓度不均匀,表面浓度高里面浓度变低。现在可采用中子掺杂技术。把单晶硅放在反应堆里受中子辐照,硅俘获一个中子后,经衰变后就变成了磷。由于中子不带电、很容易进入硅片的内部,故这种办法生产的硅半导体性质优良。利用反应堆产生的中子可以治疗癌症。因为许多癌组织对于硼元素有较多的吸收,而且硼又有很强的吸收中子能力。硼被癌组织吸收后,经中子照射,硼会变成锂并放出α射线。α射线可以有效杀死癌细胞,治疗效果要比从外部用γ射线照射好得多。反应堆里的中子还可用于中子照相或者说中子成像。中子易于被轻物质散射,故中子照相用于检查轻物质(例如炸药、毒品等)特别有效,如果用χ光或超声成像则检查不出来。

  发展过程

  早在1929年,科克罗夫特就利用质子成功地实现了原子核的变换。但核反应堆

  是,用质子引起核反应需要消耗非常多的能量,使质子和目标的原子核碰撞命中的机会也非常之少。1938年,德国人奥托·哈恩和休特洛斯二人成功地使中子和铀原子发生了碰撞。这项实验有着非常重大的意义,它不仅使铀原子简单地发生了分裂,而且裂变后总的质量减少,同时放出能量。尤其重要的是铀原子裂变时,除裂变碎片之外还射出2至3个中子,这个中子又可以引起下一个铀原子的裂变,从而发生连锁反应。1939年1月,用中子引起铀原子核裂变的消息传到费米的耳朵里,当时他已逃亡到美国哥伦比亚人类第一座核反应堆的设计者:费米

  大学,费米不愧是个天才科学家,他一听到这个消息,马上就直观地设想了原子反应堆的可能性,开始为它的实现而努力。费米组织了一支研究队伍,对建立原子反应堆问题进行彻底的研究。费米与助手们一起,经常通宵不眠地进行理论计算,思考反应堆的形状设计,有时还要亲自去解决石墨材料的采购问题。1942年12月2日,费米的研究组人员全体集合在美国芝加哥大学足球场的一个巨大石墨型反应堆前面。这时由费米发出信号,紧接着从那座埋没在石墨之间的7吨铀燃料构成的巨大反应堆里,控制棒缓慢地被拔了出来,随着计数器发出了咔嚓咔嚓的响声,到控制棒上升到一定程度,计数器的声音响成了一片,这说明连锁反应开始了。这是人类第一次释放并控制了原子能的时刻。1954年前苏联建成世界上第一座原子能发电站利用浓缩铀作燃料,采用石墨水冷堆,电输出功率为5000千瓦。1956年,英国也建成了原子能电站。原子能电站的发展并非一帆风顺,不少人对核电站的放射性污染问题感到忧虑和恐惧,因此出现了反核电运动。其实,在严格的科学管理之下,原子能是安全的能源。原子能发电站周围的放射性水平,同天然本底的放射性水平实际并没有多大差别。1979年3月,美国三里岛原子能发电站由于操作错误和设备失灵,造成了原子能开发史上空前未有的严重事故。然而,由于反应堆的停堆系统、应急冷却系统和安全壳等安全措施发挥核反应堆

  了作用,结果放射性外逸量微乎其微,人和环境没有受到什么影响,充分说明现代科技的发展已能保证原子能的安全利用。总之,由于反应堆是一个巨大的中子源,因此是进行基础科学和应用科学研究的一种有效工具。目前其应用领域日益扩大,而且其应用潜力也很大,有待人们的进一步开发。在原子能的和平利用中,最典型的当数原子能发电,也称核电。如果说原子弹的爆炸是瞬间、不受控制地进行的铀-235或钚-239核裂变链锁反应的结果,那么原子能发电站利用的能量是来受控状态下持久进行的铀-235或钚-239核裂变链锁反应。一种可以人为控制核裂变反应快慢并能维持链锁核裂变反应的装置叫做反应堆。费米发明的反应堆是用来生产钚-239的,这种反应堆叫做生产堆。原子能发电站的核心也是反应堆,它是用反应堆内核裂变反应产生的巨大热量生成饱和蒸汽驱动气轮机发电,这种反应堆叫做动力堆。原子能发电与用煤、用油发电的区别仅在于产生热量的装置不同,前者是原子能核反应堆

来源:贵州电力网
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