核電原子反應堆那點事

核電原子反應堆那點事

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量的原子鈾235，它的原子性能不穩定，受到中子碰擊會分裂成較小質量的原子，同時釋放出多個中子，這些中子又去碰撞其它原子形成鏈式反應，在這個裂變過程中釋放出巨大熱量。這種鏈式反應得不到控制就形成了原子彈，若人為的控制其反應就可利用其釋放能量進行發電。

      反應堆--人為控制原子裂變的過程及裝置就是原子反應堆。控制裂變須一將原子鏈式反應釋放熱量帶走，這就需要一種冷卻介質，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，維持鏈式反應，稱這種介質為慢化劑；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生裂變。這種物質制作成棒狀或管狀或板狀，其位置變化可以改變中子的數量，控制反應堆的散出的熱量，稱為控制棒。當需要停止反應堆運行時將控制棒全部插入即可使鏈式反應終止。

      反應堆的類型--根據冷卻劑和慢化劑的不同，反應堆分為輕水堆、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行減速處理，稱為熱堆，最后一個不對中子進行減速處理，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發生裂變時放出來的快中子會被裝在反應區周圍的鈾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轉變成新的钚239，而是新生的钚239比消耗掉的還多，反應開始循環持續下去，形成鏈式反應。

圖1  反應堆類型

      輕水堆是以普通的水（H2O）為慢化劑和冷卻劑的反應堆。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堆內吸收大量原子反應熱量沸騰為蒸汽進入蒸汽輪機發電，乏氣進入凝汽器液化后再進入反應堆，形成一個液體循環回路，即1回路。

圖3壓水堆示意圖

      壓水堆是慢化劑的水在反應堆內形成一個循環管路，1次冷卻系統，也稱1回路，并通過蒸汽發生器將熱量傳給2 次冷卻系統或稱2回路，再進入汽輪機發電，乏汽通過凝汽器冷卻液化形成循環。與沸水堆相比，壓水堆不同的是將核反應堆的熱量通過兩個回路實現發電。

      沸水堆與壓水堆在原子鏈式反應及控制原理完全相同，所不同的僅是如何將反應堆熱量帶出來，沸水堆只有一個循環回路，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堆的熱量通過1回路的蒸汽發生器付給2回路的水進行發電。

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

      世界上第一個反應堆人類第一臺核反應堆由美國籍意大利著名物理學家費米領導的小組于1942年12月美國芝加哥大學建成，命名為芝加哥一號堆，芝加哥大學也因此成為人類“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上開發建設的大型商用核電站，堆型有沸水堆、壓水堆和自來水堆。1998年前的反應堆均為二代堆。

     第三代是指滿足更高的安全性指標的先進核電站，采用標準化、最佳化設計和安全性更高的非能動安全系統，堆型仍是先進的沸水堆、先進和壓水堆、歐洲壓水堆等。、

      中國核電的進展：

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，強總總結牛！