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解密核反应堆

放大字体  缩小字体 中国核电网  | 发表于:2017-01-23 | 来源:电力大数据
  第二次世界大战后期,美国罗斯福总统为了赶在德国之前造出原子弹,秘密进行了一项庞大的“曼哈顿工程”,在芝加哥大学足球场西看台下的一个网球室里建造了一个核反应堆。核物理学家费米和他的同事们将石墨块堆砌起来,用10吨的金属铀和40吨的氧化铀做成的棒插在385吨的石墨砖块中,同时里面还插了10根控制棒,外面用1.5米厚的混凝土包围。就是在这个简陋的反应堆上,实现了人类历史上第一次受控自持链式反应。

  尽管这次反应仅仅持续了28分钟,它的功率很小,最高只达到200瓦,只能点亮一支灯泡,但是它开启了人类利用核能的开端。

  神秘的核反应堆

  核反应堆是一种特殊的“锅炉”,有人称呼它为原子反应炉或核岛。现代的核反应堆,从外面看上去像是一个立式的圆柱或者圆形建筑。核电厂与火电厂一样,也是用蒸汽膨胀做功,推动蒸汽轮机旋转,再带动发电机发电。

  核反应堆的工作是靠控制棒来实现的,控制棒有很强的吸收中子的能力。提起控制棒,中子数就增加,核反应堆功率就上升,插入控制棒,中子数就下降,核反应堆功率就下降,甚至可以让核反应堆的裂变反应停下来。

  铀-235裂变反应

  事实上。铀-235裂变反应放出的中子速度太快。动能为1兆电子伏的中子,速度可以达到20000千米/秒,这样快的中子,很难打中小小的铀-235核实现裂变反应。于是,工程师找到了很多优良的慢化剂,如轻水、重水、石墨等。核电站根据慢化剂种类的不同,被称为轻水堆、压水堆、沸水堆和重水堆等。

  核反应堆中的铀裂变放出的能量用冷却剂导出,它们多为重水、二氧化碳、氦气、液态金属钠、液态钠-钾等。这些物质导热量本领比较大,吸收中子比较少。

  核反应堆与原子弹的区别

  核反应堆是一种人工控制的自持链式反应装置,它只让这一代轰击铀核的中子等于上一代轰击铀核的中子数,多余的中子,被铀、铀中的杂质或者控制棒吸收掉。如果发生“过激”现象,就调整控制棒或者冷却剂传出热量,确保链式反应平稳进行。

  核反应堆里面装的是天然铀或者低浓度铀(铀-235富集度在2%~5%),而原子弹装的是武器级铀(铀-235富集度大于90%)。易裂变燃料铀-235的浓度非常重要,核反应堆与原子弹铀-235浓度就好像高纯度酒精与啤酒的区别,酒精可以点燃,啤酒则不能。

  上世纪90年代,世界上各国开始研发第三代核电技术。我国广东台州和芬兰正在建造的EPR核电站(采用法国阿海珐公司的欧洲压水堆技术)、山东海阳和浙江三门正在建造的AP1000核电站(采用美国西屋公司的先进非能动压水堆技术),还有美国通用电气的ABWR先进沸水堆等都属于第三代核电技术。

  如今,我国自主开发的“华龙一号”和CAP1400也属于第三代压水堆核电站。AP1000用加压气体、重力流、自然循环流以及对流等自然驱动力,不使用泵、风机等能动部件,大大增加了系统的安全性。另外,AP1000还在安全壳上部加设一个非能动提供冷却水和防止轰炸与空袭的大水箱,安全性能得到更大幅度的提升。

  快中子堆  未来发展的新趋势

  快中子堆简称快堆,是由快中子引起链式裂变反应,并实现核燃料增值的核反应堆。快中子堆在运行中消耗易裂变材料(铀-235),又产生新的新易变材料(钚-239),新产生的易裂变材料比消耗的易裂变材料多,因此,也称为增值堆。

  现在,世界上运行的核反应堆绝大多数属于热中子堆。热中子堆利用的只是铀-235,天然铀中将近99.3%是难以裂变的铀-238,铀-238不能在热中子堆中反应。但是在快中子堆中,铀-238可以转换成钚-239,可以进一步反应。快中子堆裂变可以使铀资源利用率提升50~60倍,此外,快堆还可以消耗热中子堆中让人头痛的长寿命锕系元素,减轻处置高放废物的负担。

  早在1951年,美国就建造了实验快中子堆,后来在英国、法国、德国许多国家都建成了实验快堆或者原型堆。我国第一座实验快堆已经在中国原子能科学研究院建成。2017年,我国将开始建设60万千瓦快堆示范电站,预计2023年建成。


 
关键词: 核电 核反应堆
 
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