什么是輕水?重水?重油?

【專家解說】：light water reactor (LWR) 以水和汽水混合物作為冷卻劑和慢化劑的反應(yīng)堆。輕水堆就堆內(nèi)載出核裂變熱能的方式可分為壓水堆和沸水堆兩種，是目前國際上多數(shù)核電站所采用的兩種堆型。據(jù)統(tǒng)計，1992年運(yùn)行的413座核電站中，輕水堆核電站約占64.15%，裝機(jī)容量約占80%，加上正在建設(shè)和已經(jīng)訂貨的輕水堆核電站將占80%，裝機(jī)容量將占90%。 輕水反應(yīng)堆是和平利用核能的一種方式. 用輕水作為慢化劑和冷卻劑的核反應(yīng)堆被稱為輕水反應(yīng)堆，包括沸騰水堆和加壓水堆輕水也就是一般的水，廣泛地被用于反應(yīng)堆的慢化劑和冷卻劑。與重水相比，輕水有廉價的長處，此外其減速效率也很高沸騰水堆的特點是將水蒸汽不經(jīng)過熱交換器直接送到氣輪機(jī)，從而防止了熱效率的低下，加壓水堆則用高壓抑制沸騰，對輕水一般加100至160個大氣壓，從而熱交換器把一次冷卻系(取出堆芯產(chǎn)生的熱)和二次冷卻系(發(fā)生送往蝸輪機(jī)的蒸汽)完全隔離開來。 用重水即氧化氘(D2O)作為慢化劑的核反應(yīng)堆被稱為重水反應(yīng)堆，或簡稱為重水堆現(xiàn)在的反應(yīng)堆幾乎都利用熱中子，因此慢化劑是反應(yīng)堆不可缺少的組成部分慢化劑與中子碰撞使中子亦即減少中子的數(shù)量的話，便失去了意義。所以，重水是非常優(yōu)異的慢化劑，它與石墨并列是最常用的慢化劑。 重水與普通水看起來十分相像，是無臭無味的液體，它們的化學(xué)性質(zhì)也一樣，不過某些物理性質(zhì)卻不相同。普通水的密度為1克/厘米3，而重水的密度為1.056克/厘米3;普通水的沸點為100℃，重水的沸點為101.42℃;普通水的冰點為0℃，重水的冰點為 3.8℃。此外，普通水能夠滋養(yǎng)生命，培育萬物，而重水則不能使種子發(fā)芽。人和動物若是喝了重水，還會引起死亡。不過，重水的特殊價值體現(xiàn)在原子能技術(shù)應(yīng)用中。制造威力巨大的核武器，就需要重水來作為原子核裂變反應(yīng)中的減速劑，作中子的減速劑，也可作為制重氫的材料，普通水中含量約為0.02%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。 重水和普通水一樣，也是由氫和氧化合而成的液體化合物，不過，重水分子和普通水分子的氫原子有所不同。我們知道，氫有3種同位素。一種是氕，它只含有一個質(zhì)子。它和一個氧原子化合可以生成普通的水分子。另一種是重氫 ---氘。它含有一個質(zhì)子和一個中子。它和一個氧原子化合后可以生成重水分子。還有一種是超重氫---氚。它含有兩個中子和一個質(zhì)子。 重水可以通過多種方法生產(chǎn)。最初的方法是用電解法，因為重水無法電解，這樣可以從普通水中把它分離出來。還有一種簡單方法是利用重水沸點高于普通水通過反復(fù)蒸餾得到。后來又發(fā)展了一些其他較佳的方法。 然而只有兩種方法已證明具有商業(yè)意義:水--硫化氫交換法(GS法)和氨--氫交換法。 GS法是基于在一系列塔內(nèi)(通過頂部冷和底部熱的方式操作)水和硫化氫之間氫與氘交換的一種方法。在此過程中，水向塔底流動，而硫化氫氣體從塔底向塔頂循環(huán)。使用一系列多孔塔板促進(jìn)硫化氫氣體和水之間的混合。在低溫下氘向水中遷移，而在高溫下氘向硫化氫中遷移。氘被濃縮了的硫化氫氣體或水從第一級塔的熱段和冷段的接合處排出，并且在下一級塔中重復(fù)這一過程。最后一級的產(chǎn)品(氘濃縮至高達(dá)30%的水)送入一個蒸鎦單元以制備反應(yīng)堆級的重水(即99.75%的氧化氘)。 氨--氫交換法可以在催化劑存在下通過同液態(tài)氨的接觸從合成氣中提取氘。合成氣被送進(jìn)交換塔，而后送至氨轉(zhuǎn)換器。在交換塔內(nèi)氣體從塔底向塔頂流動，而液氨從塔頂向塔底流動。氘從合成氣的氫中洗滌下來并在液氨中濃集。液氨然后流入塔底部的氨裂化器，而氣體流入塔頂部的氨轉(zhuǎn)換器。在以后的各級中得到進(jìn)一步濃縮，最后通過蒸餾生產(chǎn)出反應(yīng)堆級重水。合成氣進(jìn)料可由氨廠提供，而這個氨廠也可以結(jié)合氨--氫交換法重水廠一起建造。氨--氫交換法也可以用普通水作為氘的供料源。 利用GS法或氨--氫交換法生產(chǎn)重水的工廠所用的許多關(guān)鍵設(shè)備項目是與化學(xué)工業(yè)和石油工業(yè)的若干生產(chǎn)工序所用設(shè)備相同的。對于利用GS法的小廠來說尤其如此。然而，這種設(shè)備項目很少有“現(xiàn)貨”供應(yīng)。GS法和氨--氫交換法要求在高壓下處理大量易燃、有腐蝕性和有毒的流體。因此，在制定使用這些方法的工廠和設(shè)備所用的設(shè)計和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)時，要求認(rèn)真注意材料的選擇和材料的規(guī)格，以保證在長期服務(wù)中有高度的安全性和可靠性。規(guī)模的選擇主要取決于經(jīng)濟(jì)性和需要。因而，大多數(shù)設(shè)備項目將按照用戶的要求制造。 最后，應(yīng)該指出，對GS法和氨--氫交換法而言，那些單獨地看并非專門設(shè)計或制造用于重水生產(chǎn)的設(shè)備項目可以組裝成專門設(shè)計或制造用于生產(chǎn)重水的系統(tǒng)。氨--氫交換法所用的催化劑生產(chǎn)系統(tǒng)和在上述兩方法中將重水最終加濃至反應(yīng)堆級所用的水蒸餾系統(tǒng)就是此類系統(tǒng)的實例。 重水堆按其結(jié)構(gòu)型式可分為壓力殼式和壓力管式兩種。壓力殼式的冷卻劑只用重水，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料比壓力管式少，但中子經(jīng)濟(jì)性好，生成新燃料钚-239的凈產(chǎn)量比較高。這種堆一般用天然鈾作燃料，結(jié)構(gòu)類似壓水堆，但因柵格節(jié)距大，壓力殼比同樣功率的壓水堆要大得多，因此單堆功率最大只能做到30萬千瓦。 因為管式重水堆的冷卻劑不受限制，可用重水、輕水、氣體或有機(jī)化合物。它的尺寸也不受限制，雖然壓力管帶來了伴生吸收中子損失，但由于堆芯大，可使中子的泄漏損失減小。此外，這種堆便于實行不停堆裝卸和連續(xù)換料，可省去補(bǔ)償燃耗的控制棒。 壓力管式重水堆主要包括重水慢化、重水冷卻和重水慢化、沸騰輕水冷卻兩種反應(yīng)堆。這兩種堆的結(jié)構(gòu)大致相同。 (1) 重水慢化，重水冷卻堆核電站 這種反應(yīng)堆的反應(yīng)堆容器不承受壓力。重水慢化劑充滿反應(yīng)堆容器，有許多容器管貫穿反應(yīng)堆容器，并與其成為一體。在容器管中，放有鋯合金制的壓力管。用天然二氧化鈾制成的芯塊，被裝到燃料棒的鋯合金包殼管中，然后再組成短棒束型燃料元件。棒束元件就放在壓力管中，它借助支承墊可在水平的壓力管中來回滑動。在反應(yīng)堆的兩端，各設(shè)置有一座遙控定位的裝卸料機(jī)，可在反應(yīng)堆運(yùn)行期間連續(xù)地裝卸燃料元件。 這種核電站的發(fā)電原理是:既作慢化劑又作冷卻劑的重水，在壓力管中流動，冷卻燃料。像壓水堆那樣，為了不使重水沸騰，必須保持在高壓(約90大氣壓)狀態(tài)下。這樣，流過壓力管的高溫(約300℃)高壓的重水，把裂變產(chǎn)生的熱量帶出堆芯，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)傳給二回路的輕水，以產(chǎn)生蒸汽，帶動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。 (2)重水慢化、沸騰輕水冷卻堆核電站 這種堆是英國在壩杜堆(重水慢化、重水冷卻堆)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。加拿大所設(shè)計的重水慢化重水冷卻反應(yīng)堆的容器和壓力管都是水平布置的。而重水慢化沸騰輕水冷卻反應(yīng)堆都是垂直布置的。它的燃料管道內(nèi)流動的輕水冷卻劑，在堆芯內(nèi)上升的過程中，引起沸騰，所產(chǎn)生的蒸汽直接送進(jìn)汽輪機(jī)，并帶動發(fā)電機(jī)。 因為輕水比重水吸收中子多，堆芯用天然鈾作燃料就很難維持穩(wěn)定的核反應(yīng)，所以，大多數(shù)設(shè)計都在燃料中加入了低濃度的鈾-235或钚-239。 重水堆的突出優(yōu)點是能最有效地利用天然鈾。由于重水慢化性能好，吸收中子少，這不僅可直接用天然鈾作燃料，而且燃料燒得比較透。重水堆比輕水堆消耗天然鈾的量要少，如果采用低濃度鈾，可節(jié)省天然鈾38%。在各種熱中子堆中，重水堆需要的天然鈾量最小。此外，重水堆對燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，能很容易地改用另一種核燃料。它的主要缺點是，體積比輕水堆大。建造費(fèi)用高，重水昂貴，發(fā)電成本也比較高。 所謂重油，就是非常規(guī)石油的統(tǒng)稱，包括重質(zhì)油、高黏油、油砂、天然瀝青和油母頁巖等。 有關(guān)統(tǒng)計資料表明，世界上重油的地質(zhì)儲量大約為1萬多億噸。重油、常規(guī)原油和天然氣地質(zhì)儲量比例分別為53%、25%和22%。重油的地質(zhì)儲量相當(dāng)于常規(guī)油氣儲量之和。 我國重油資源比較豐富，陸上重油、瀝青資源約占石油資源總量的20%以上，預(yù)測資源量為198億噸。 經(jīng)過50多年的勘探，我國先后在全國12個盆地發(fā)現(xiàn)70多個重油油田。近幾年，又分別在吐哈盆地和塔里木盆地發(fā)現(xiàn)深層重油資源。到2005年年底，我國已探明重油地質(zhì)儲量20.6億噸。重油已成為中國原油產(chǎn)量的重要組成部分。 當(dāng)前，國際石油界在重油勘探、開發(fā)、煉制與綜合利用以及環(huán)境保護(hù)等方面仍存在一些尚待解決的難題，其中最重要的就是如何在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)創(chuàng)新，以求更大幅度地降低成本。另外，隨著石油需求量的不斷增加，如何加強(qiáng)世界各重油生產(chǎn)國對勘探開發(fā)的重視以及消費(fèi)國對重油的合理利用，也成為重油工業(yè)乃至世界石油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。