【摘要】本文介绍了核能的概念、核能发电原理、核电站反应堆堆型及其优缺点 【关键词】核能 中子 链式反应 核电站 热堆和快堆
1 前言
众所周知，从人类学会利用火的时候，人类已经开始主动利用能源，自那时起，能源的使用已经变成人类进步不可或缺的基本要素和人类文明程度的一种标志。
在核能被发现和得到利用前，人类所利用的主要能源方式是化学能和水能等。十九世纪末到二十世纪初，物理学又得到了一次极大的发展，人类对物质结构的认识开始深入到原子甚至更微观的粒子水平，这客观上为人类利用核能奠定了基础。
1939年，德国科学家奥托·哈恩发现了元素铀的同位素235U原子核在中子的轰击下可以发生核裂变并同时放出能量（见图1），很多重核同位素，如233U,239Pu等，都能产生核裂变反应。而核裂变反应放出的能量比化学反应大的多，这预示了核能利用的前景。
图1 235U裂变反应示意图
如图1所示， 235U原子核在裂变后生成裂变碎片并同时放出2～3个中子，如果新产生的中子能够轰击其它的235U原子核并导致新的核裂变，裂变反应就可以不断持续下去，我们将这个过程形象地称作“链式反应”见图2。在不断的链式反应下，核能被源源不断地释放出来。
图2 链式反应示意图
但要真正实现链式反应并不是件很容易的事。天然铀由丰度为0.7%的235U和丰度为99.3%的238U组成，其中235U用任何能量的中子轰击都可能发生裂变，故称为“易裂变元素”；而238U则只能用能量大于1.5MeV的中子进行轰击才可能发生裂变，大多数中子在此时被俘获或发生非弹性散射。
在中子的能量低于0.1MeV时，其裂变概率大于俘获。但裂变时产生的中子的平均能量约为2MeV，这使得在天然铀中直接维持链式反应变得不可能。所以，若要维持链式反应，有两条途径可以实现：1）利用慢化剂使中子的能量降低到热平衡状态附近，此时的中子最可能的能量约为0.025eV，这时天然铀可以利用；2）加浓核燃料中235U的含量。前者导致了“热”堆的发展，而后者导致了“快”堆的发展。之所以如此称呼，是因为前者是由低能的“热”中子引起的裂变反应，而后者是由高能的“快”中子引起的裂变反应。 除了235U等裂变可以放出核能外，氢的同位素，如氚（3H）的原子核在一定条件下也可以聚合成氦（He）原子核，同时放出能量，这也是核能的一种形式。我们通常将核裂变反应放出的核能称为“裂变能”，而核聚变反应放出的核能称为“聚变能”。
由于受当今技术发展的限制，国际上还没有掌握对核聚变反应进行有效的控制方法，所以除用于军事之外，利用核聚变原理进行核能发电的技术远未达到应用水平，而目前利用重核裂变原理进行发电的技术已经获得了广泛应用。
世界的能源目前仍以化石燃料为主，这存在两方面的问题：1）化石燃料只能使用有限时间，如煤大约还可以用200年，石油只能用大约60年；2）在化石燃料的开采、运输和使用过程中破坏、污染了人类赖以生存的环境。相对而言，核能是一种可以大规模应用的“洁净”能源。
2 核能发电及核电站堆型简介
2．1 核能发电原理
核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指235U、239Pu、233U等重元素在中子轰击作用下分裂成两个质量较小的原子核，同时产生2—3 个中子和β、γ等射线，释放出大量能量的过程。如果新产生的一个中子再次轰击到另一个原子核，便引起新的裂变，以此类推，这样就使裂变反应不断地持续下去，
这就是裂变链式反应；在链式反应中，核能就连续不断地释放出来。因此实现链式反应是核能发电的前提。
核反应堆是由一定数量的易裂变物质组合成的可以维持可控的自持裂变链式反应的一种装置。其设计目标是：（1）反应堆必须能实现自持的链式反应；（2）反应堆的功率必须是可控和可调的；（3）反应堆内产生的热量必须能够安全的移出。（4）必须屏蔽隔离对人体危害很大的裂变反应中产生的中子和放射性物质，以保护核电站工作人员和附近居民的安全。
核电站就是利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施，用铀制成的核燃料在反应堆内发生裂变而产生大量热能，除沸水堆外，其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆芯把热能带出，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后产生蒸汽推动汽轮机带动发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方。 反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行。目前世界上核电站常用的反应堆有压水堆、沸水堆、重水堆和石墨汽冷堆以及快堆等，其中前四种堆型属热堆范畴。
2．2 核电站反应堆堆型简介
2．2．1 压水堆
压水堆核电站主要由核岛和常规岛组成，核岛中的四大部件是蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯，系统设备主要有压水堆本体、一回路系统以及为支持一回路系统正常运行和保证反应堆安全而设置的辅助系统。常规岛主要包括汽轮机组及二回路等系统，其形式与常规火电厂类似。
压水堆核电站的一回路系统与二回路系统完全隔开，它是一个密闭的循环系统。该核电站的原理流程为：主泵将高压冷却剂送入反应堆，一般冷却剂的工作压力约为15．5MPa。冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆，并进入蒸汽发生器，通过数以千计的传热管，把热量传给管外的二回路水，使水沸腾产生蒸汽；冷却剂流经蒸汽发生器后，再由主泵送入反应堆，这样来回循环，不断地把反应堆中的热量带出并转换产生蒸汽。从蒸汽发生器出来的高温高压蒸汽，推动汽轮发电机组发电。做过功的废汽在冷凝器中凝结成水，再由凝结给水泵送入加热器，重新加热后送回蒸汽发生器。这就是二回路循环系统。
压水堆本体由堆芯、堆内构件和压力容器组成。压力容器是包容堆芯、控制棒组件、堆内构件及反应堆冷却剂的圆筒形重型设备，有筒体和可拆卸的顶盖构成，
图3 压水堆（PWR）机组示意图
两者用法兰和螺栓密封相连，压力容器用低合金钢作母材，内壁堆焊一层奥氏体不锈钢。在容器的顶部设置有控制棒驱动机构，用以驱动控制棒在堆芯内上下移动。
堆芯是反应堆的心脏，装在压力容器中间。它是由燃料组件构成的。正如锅炉烧的煤块一样，燃料芯块是核电站“原子锅炉”燃烧的基本单元。这种芯块是由二氧化铀烧结而成的，含有2～4%的235U，呈小圆柱形，直径为9.30mm。把这种芯块装在两端密封的锆合金包壳管中，成为一根长约4m、直径约10mm的燃料元件棒。燃料棒通常按17×17正方形排列，用定位格架固定，组成燃料组件。此外，这种反应堆的堆芯还有控制棒和含硼的冷却水（冷却剂）。控制棒用银铟镉材料制成，外面套有不锈钢包壳，可以吸收反应堆中的中子，它的粗细与燃料棒差不多。把多根控制棒组成棒束型，用来控制反应堆核反应的快慢。如果反应堆发生故障，立即把足够多的控制棒插入堆芯，在很短时间内反应堆就会停止工作，这就保证了反应堆运行的安全。
2．2．2 沸水堆
沸水堆核电站系统有：主系统（包括反应堆）、蒸汽/给水系统；反应堆辅助系统等。其工作流程是：冷却剂（水）从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒那里得到了
热量，使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，将分离出的蒸汽用来推动汽轮发电机组发电。
沸水堆是由压力容器及其中间的燃料元件、十字形控制棒和汽水分离器等组成。汽水分离器在堆芯的上部，它的作用是把蒸汽和水滴分开、防止水进入汽轮机，造成汽轮机叶片损坏。沸水堆所用的燃料和燃料组件与压水堆相同。沸腾水既作慢化剂又作冷却剂。
图4 沸水堆（BWR）机组示意图
沸水堆与压水堆同属轻水堆，其不同于压水堆之处在于冷却水保持在较低的压力（约为7.0MPa）下，水通过堆芯变成约285℃的蒸汽，并直接被引入汽轮机。所以，沸水堆只有一个回路，省去了容易发生泄漏的蒸汽发生器，因而显得很简单。
轻水堆核电站的最大优点是具有结构紧凑、安全可靠、经济性良好、建造费用低和负荷跟随能力强等优点。它的缺点是必须使用低浓铀，目前采用轻水堆的国家，在核燃料供应上大多依赖美国和独联体。此外，轻水堆对天然铀的利用率低。如果系列地发展轻水堆要比系列地发展重水堆多用天然铀50%以上。
从维修来看，压水堆因为一回路和蒸汽系统分开，汽轮机未受放射性的沾污，所以，容易维修。而沸水堆是堆内产生的蒸汽直接进入汽轮机，这样，汽轮机会受到放射性的沾污，所以在这方面的设计与维修都比压水堆要麻烦一些。
2．2．3 重水堆
以重水作慢化剂的核反应堆堆型。冷却剂可以是重水、 轻水或二氧化碳。重水是氘氧化合物(D2O)，它是热中子反应堆最理想的慢化剂，由于价格昂贵，重水系统的密闭性要求高，
还需对外泄的重水进行回收、提纯，以提高核电站的经济性和安全性，主要堆型是加拿大研制的CANDU型。
重水堆按其结构型式可分为压力壳式和压力管式两种。压力壳式的冷却剂只用重水，它的内部结构材料比压力管式少，但中子经济性好，生成新燃料239Pu的净产量比较高。这种堆一般用天然铀作燃料，结构类似压水堆，但因栅格节距大，压力壳比同样功率的压水堆要大得多，因此单堆功率最大只能做到30万KW。
因为管式重水堆的冷却剂不受限制，可用重水、轻水、气体或有机化合物。它的尺寸也不受限制，虽然压力管带来了伴生吸收中子损失，但由于堆芯大，可使中子的泄漏损失减小。此外，这种堆便于实行不停堆装卸和连续换料，可省去补偿燃耗的控制棒。
压力管式重水堆主要包括重水慢化、重水冷却和重水慢化、沸腾轻水冷却两种反应堆。这两种堆的结构大致相同。
1)重水慢化、重水冷却堆核电站：这种反应堆的反应堆容器不承受压力。重水慢化剂充满反应堆容器，有许多容器管贯穿反应堆容器，并与其成为一体。在容器管中，放有锆合金
制的压力管。用天然二氧化铀制成的芯块，被装到燃料棒的锆合金包壳管中，然后再组成短棒束型燃料元件。棒束元件就放在压力管中，它借助支承垫可在水平的压力管中来回滑动。在反应堆的两端，各设置有一座遥控定位的装卸料机，可在反应堆运行期间连续地装卸燃料元件。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议