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赵顺安:核电站原子反应堆那点事

2016-12-21 19:22| 发布者: 强天鹏| 查看: 413| 评论: 0

摘要: 人类面临能源危机,核电是其中一个解决方案。原子裂变--自然界中存在极大质量的原子铀235,它的原子性能不稳定,受到中子碰击会分裂成较小质量的原子,同时释放出多个中子,这些中子又去碰撞其它原子形成链式反应, ...


  人类面临能源危机,核电是其中一个解决方案。

原子裂变--自然界中存在极大质量的原子铀235,它的原子性能不稳定,受到中子碰击会分裂成较小质量的原子,同时释放出多个中子,这些中子又去碰撞其它原子形成链式反应,在这个裂变过程中释放出巨大热量。这种链式反应得不到控制就形成了原子弹,若人为的控制其反应就可利用其释放能量进行发电。

      反应堆--人为控制原子裂变的过程及装置就是原子反应堆。控制裂变须一将原子链式反应释放热量带走,这就需要一种冷却介质,称为冷却剂;二是控制中子的速度,控制中子速度才能保证铀原子接收中子,维持链式反应,称这种介质为慢化剂;三是中子的量,采用一种对中子具有强的吸附作用而它自身不发生裂变。这种物质制作成棒状或管状或板状,其位置变化可以改变中子的数量,控制反应堆的散出的热量,称为控制棒。当需要停止反应堆运行时将控制棒全部插入即可使链式反应终止。

      反应堆的类型--根据冷却剂和慢化剂的不同,反应堆分为轻水堆重水堆高温气冷钠快堆。前三者是以铀235为燃料,而后一者是以铀235和铀238为燃料,如图1示。前三者都要对中子的速度进行减速处理,称为热堆,最后一个不对中子进行减速处理,即不需要慢化剂,称为快堆。快堆的核燃料是铀238,钚239,而钚239发生裂变时放出来的快中子会被装在反应区周围的铀238吸收,又变成钚239。这就是说,在堆中一边消耗钚239,又一边使铀238转变成新的钚239,而是新生的钚239比消耗掉的还多,反应开始循环持续下去,形成链式反应。

图1  反应堆类型

      轻水堆是以普通的水(H2O)为慢化剂和冷却剂的反应堆。它又可分为沸水堆压水堆,如图2、3示。

图2 沸水堆组成示意图

      沸水堆是水作为冷却剂和慢化剂在反应堆内吸收大量原子反应热量沸腾为蒸汽进入蒸汽轮机发电,乏气进入凝汽器液化后再进入反应堆,形成一个液体循环回路,即1回路。

图3压水堆示意图

      压水堆是慢化剂的水在反应堆内形成一个循环管路,1次冷却系统,也称1回路,并通过蒸汽发生器将热量传给2 次冷却系统或称2回路,再进入汽轮机发电,乏汽通过凝汽器冷却液化形成循环。与沸水堆相比,压水堆不同的是将核反应堆的热量通过两个回路实现发电。

      沸水堆与压水堆在原子链式反应及控制原理完全相同,所不同的仅是如何将反应堆热量带出来,沸水堆只有一个循环回路,压水堆有两个。

      重水堆 重水堆的慢化剂是重水,即氧化氘。重水的慢化中子能力虽然比轻水低,但是氘核的中子吸收截面要比氢核小得多,也就是重水堆慢化比比轻水高,所以重水堆中慢化剂和冷却剂所吸收的中子要比轻水堆小,使用浓缩度更低的燃料也能够维持临界。但重水本身获取成本较高。即反应堆的1回路采用重量水,而2回路也可采用重水也可采用轻水,其它工艺相同。

      高温气冷堆是以石墨作为慢化剂,以氦气为冷却剂的反应堆模式。由于采用石墨为慢化剂,所以堆芯的温度可以提高至1000度,所以具有较高的热效率。作为冷却剂的氦将反应堆的热量通过1回路的蒸汽发生器付给2回路的水进行发电。

      钠冷快堆快堆没有剂只有冷却剂,冷却剂为液态钠冷却剂,钠具有较高的比热容,溶点低可以带出更多的热量。

      世界上第一个反应堆人类第一台核反应堆由美国籍意大利著名物理学家费米领导的小组于1942年12月美国芝加哥大学建成,命名为芝加哥一号堆,芝加哥大学也因此成为人类“原子能诞生地”。

     第一代核电站是早期的原型堆电站,即1950年至1960年前期开发的轻水堆核电站,如:美国的Shippingport压水堆、Dresden沸水堆以及英国的Magnox石墨气冷堆等。

     第二代核电站是1960年后期到1990年前期在第一代核电站基础上开发建设的大型商用核电站,堆型有沸水堆、压水堆和自来水堆。1998年前的反应堆均为二代堆。

     第三代是指满足更高的安全性指标的先进核电站,采用标准化、最佳化设计和安全性更高的非能动安全系统,堆型仍是先进的沸水堆、先进和压水堆、欧洲压水堆等。、

      中国核电的进展

     运营中广东:大亚湾核电站岭澳核电站一期;浙江:秦山核电站,秦山二期核电站及扩建工程,秦山三期核电站;江苏:田湾核电站一期;福建:宁德核电站一期1号机组;辽宁:红沿河核电站一期1号机组
      建设中广东:岭澳二期核电站,台山核电站一期,阳江核电站;海南:昌江核电站一期;福建:宁德核电站一期,福清核电站;浙江:秦山核电站扩建— 方家山核电,三门核电站;山东:山东海阳核电站石岛湾核电站;北京:中国实验快堆;辽宁:红沿河核电站一期
      筹建中广东:陆丰核电站一期,海丰核电站揭阳核电站韶关核电站肇庆核电站;广西:红沙核电站;福建:漳州核电站三明核电站;湖南:小墨山核电站桃花江核电站;江西:烟家山核电站,彭泽核电站;重庆:涪陵核电站;四川:三坝核电站;湖北:大畈核电站松滋核电站;浙江:苍南核电站龙游核电站;安徽:芜湖核电站吉阳核电站;河南:南阳核电站;辽宁:东港核电站徐大堡核电站;吉林:靖宇核电站;黑龙江:佳木斯核电站
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