核電原子反應(yīng)堆那點事

核電原子反應(yīng)堆那點事

趙順安        

      人類面臨能源危機，核電是其中一個解決方案。

      原子裂變--自然界中存在極大質(zhì)量的原子鈾235，它的原子性能不穩(wěn)定，受到中子碰擊會分裂成較小質(zhì)量的原子，同時釋放出多個中子，這些中子又去碰撞其它原子形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在這個裂變過程中釋放出巨大熱量。這種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)得不到控制就形成了原子彈，若人為的控制其反應(yīng)就可利用其釋放能量進(jìn)行發(fā)電。

      反應(yīng)堆--人為控制原子裂變的過程及裝置就是原子反應(yīng)堆。控制裂變須一將原子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放熱量帶走，這就需要一種冷卻介質(zhì)，稱為冷卻劑；二是控制中子的速度，控制中子速度才能保證鈾原子接收中子，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，稱這種介質(zhì)為慢化劑；三是中子的量，采用一種對中子具有強的吸附作用而它自身不發(fā)生裂變。這種物質(zhì)制作成棒狀或管狀或板狀，其位置變化可以改變中子的數(shù)量，控制反應(yīng)堆的散出的熱量，稱為控制棒。當(dāng)需要停止反應(yīng)堆運行時將控制棒全部插入即可使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)終止。

      反應(yīng)堆的類型--根據(jù)冷卻劑和慢化劑的不同，反應(yīng)堆分為輕水堆、重水堆、高溫氣冷和鈉快堆。前三者是以鈾235為燃料，而后一者是以鈾235和鈾238為燃料，如圖1示。前三者都要對中子的速度進(jìn)行減速處理，稱為熱堆，最后一個不對中子進(jìn)行減速處理，即不需要慢化劑，稱為快堆。快堆的核燃料是鈾238，钚239，而钚239發(fā)生裂變時放出來的快中子會被裝在反應(yīng)區(qū)周圍的鈾238吸收，又變成钚239。這就是說，在堆中一邊消耗钚239，又一邊使鈾238轉(zhuǎn)變成新的钚239，而是新生的钚239比消耗掉的還多，反應(yīng)開始循環(huán)持續(xù)下去，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

圖1  反應(yīng)堆類型

      輕水堆是以普通的水（H2O）為慢化劑和冷卻劑的反應(yīng)堆。它又可分為沸水堆與壓水堆，如圖2、3示。

圖2 沸水堆組成示意圖

      沸水堆是水作為冷卻劑和慢化劑在反應(yīng)堆內(nèi)吸收大量原子反應(yīng)熱量沸騰為蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機發(fā)電，乏氣進(jìn)入凝汽器液化后再進(jìn)入反應(yīng)堆，形成一個液體循環(huán)回路，即1回路。

圖3壓水堆示意圖

      壓水堆是慢化劑的水在反應(yīng)堆內(nèi)形成一個循環(huán)管路，1次冷卻系統(tǒng)，也稱1回路，并通過蒸汽發(fā)生器將熱量傳給2 次冷卻系統(tǒng)或稱2回路，再進(jìn)入汽輪機發(fā)電，乏汽通過凝汽器冷卻液化形成循環(huán)。與沸水堆相比，壓水堆不同的是將核反應(yīng)堆的熱量通過兩個回路實現(xiàn)發(fā)電。

      沸水堆與壓水堆在原子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及控制原理完全相同，所不同的僅是如何將反應(yīng)堆熱量帶出來，沸水堆只有一個循環(huán)回路，壓水堆有兩個。

      重水堆 重水堆的慢化劑是重水，即氧化氘。重水的慢化中子能力雖然比輕水低，但是氘核的中子吸收截面要比氫核小得多，也就是重水堆慢化比比輕水高，所以重水堆中慢化劑和冷卻劑所吸收的中子要比輕水堆小，使用濃縮度更低的燃料也能夠維持臨界。但重水本身獲取成本較高。即反應(yīng)堆的1回路采用重量水，而2回路也可采用重水也可采用輕水，其它工藝相同。

      高溫氣冷堆是以石墨作為慢化劑，以氦氣為冷卻劑的反應(yīng)堆模式。由于采用石墨為慢化劑，所以堆芯的溫度可以提高至1000度，所以具有較高的熱效率。作為冷卻劑的氦將反應(yīng)堆的熱量通過1回路的蒸汽發(fā)生器付給2回路的水進(jìn)行發(fā)電。

      鈉冷快堆快堆沒有慢化劑只有冷卻劑，冷卻劑為液態(tài)鈉，鈉具有較高的比熱容，溶點低可以帶出更多的熱量。

      世界上第一個反應(yīng)堆人類第一臺核反應(yīng)堆由美國籍意大利著名物理學(xué)家費米領(lǐng)導(dǎo)的小組于1942年12月美國芝加哥大學(xué)建成，命名為芝加哥一號堆，芝加哥大學(xué)也因此成為人類“原子能誕生地”。

     第一代核電站是早期的原型堆電站，即1950年至1960年前期開發(fā)的輕水堆核電站，如：美國的Shippingport壓水堆、Dresden沸水堆以及英國的Magnox石墨氣冷堆等。

     第二代核電站是1960年后期到1990年前期在第一代核電站基礎(chǔ)上開發(fā)建設(shè)的大型商用核電站，堆型有沸水堆、壓水堆和自來水堆。1998年前的反應(yīng)堆均為二代堆。

     第三代是指滿足更高的安全性指標(biāo)的先進(jìn)核電站，采用標(biāo)準(zhǔn)化、最佳化設(shè)計和安全性更高的非能動安全系統(tǒng)，堆型仍是先進(jìn)的沸水堆、先進(jìn)和壓水堆、歐洲壓水堆等。、

      中國核電的進(jìn)展：

運營中：廣東：大亞灣核電站，嶺澳核電站一期；浙江：秦山核電站，秦山二期核電站及擴(kuò)建工程，秦山三期核電站；江蘇：田灣核電站一期；福建：寧德核電站一期1號機組；遼寧：紅沿河核電站一期1號機組
      建設(shè)中：廣東：嶺澳二期核電站，臺山核電站一期，陽江核電站；海南：昌江核電站一期；福建：寧德核電站一期，福清核電站；浙江：秦山核電站擴(kuò)建— 方家山核電，三門核電站；山東：山東海陽核電站，石島灣核電站；北京：中國實驗快堆；遼寧：紅沿河核電站一期
      籌建中：廣東：陸豐核電站一期，海豐核電站，揭陽核電站，韶關(guān)核電站，肇慶核電站；廣西：紅沙核電站；福建：漳州核電站，三明核電站；湖南：小墨山核電站，桃花江核電站；江西：煙家山核電站，彭澤核電站；重慶：涪陵核電站；四川：三壩核電站；湖北：大畈核電站，松滋核電站；浙江：蒼南核電站，龍游核電站；安徽：蕪湖核電站，吉陽核電站；河南：南陽核電站；遼寧：東港核電站，徐大堡核電站；吉林：靖宇核電站；黑龍江：佳木斯核電站。

不錯不錯，強總總結(jié)牛！