核反應(yīng)堆到底能干嘛呢?有什么用?

【專家解說】：核反應(yīng)堆又稱為原子能反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配了核燃料以實(shí)現(xiàn)可控制裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。 根據(jù)用途，核反應(yīng)堆可以分為以下幾種類型: ①將中子束用于實(shí)驗(yàn)或利用中子束的核反應(yīng)堆，包括研究堆、材料實(shí)驗(yàn)等。②生產(chǎn)放射性同位素的核反應(yīng)堆。③生產(chǎn)核裂變物質(zhì)的核反應(yīng)堆，稱為生產(chǎn)堆。④提供取暖、海水淡化、化工等方面所需熱量的核反應(yīng)堆，比如多目的堆。⑤為發(fā)電而發(fā)生熱量的核反應(yīng)，稱為發(fā)電堆。⑥用于船舶、飛機(jī)、火箭等作為動力的核反應(yīng)堆，稱為動力堆。另外，核反應(yīng)堆根據(jù)燃料類型分為天然鈾堆、濃縮鈾堆、釷堆，根據(jù)中子能量分為快中子堆和熱中子堆等。 核反應(yīng)堆 nuclear reactor 核電站中進(jìn)行可控自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)以產(chǎn)生熱能的裝置。裂變反應(yīng)堆利用可裂變的重元素(如鈾-235、鈾-233和钚-239)，在中子的作用下，形成可控自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，釋放能量。典型的反應(yīng)方程式如下: 世界上第一座裂變反應(yīng)堆于1942年12月 2日在芝加哥大學(xué)達(dá)到臨界。那是一座以天然鈾為燃料、石墨為慢化劑的實(shí)驗(yàn)性反應(yīng)堆。第一座原型生產(chǎn)堆于1943年11月建成并投入運(yùn)行。1954年6月27日,蘇聯(lián)建成世界上第一座核電站,采用天然鈾石墨慢化壓力管式水冷反應(yīng)堆,電功率為5000千瓦。1961年7月,美國建成世界上第一座商用壓水堆核電站，電功率為28.5萬千瓦(初期設(shè)計(jì)值)。到80年代，裂變反應(yīng)堆已成為世界上最重要的替代能源。 核反應(yīng)堆按用途可分為:艦船推進(jìn)、發(fā)電、供熱的動力堆，生產(chǎn)裂變材料钚或氚的生產(chǎn)堆，做材料和燃料輻照試驗(yàn)用的試驗(yàn)堆等;按結(jié)構(gòu)可分為:均勻堆、半均勻堆、非均勻堆、固體燃料堆、液體燃料堆、游泳池式堆、殼式加壓型反應(yīng)堆、壓力管式加壓型反應(yīng)堆等;按中心能譜可分為:熱中子堆、快中子堆、中能中子堆和譜移堆;按冷卻劑可以分為:輕水堆、重水堆、壓水(重水)堆、沸水(重水)堆、氣冷堆、液態(tài)金屬冷卻堆等;按慢化劑可分為:輕水堆、重水堆、石墨堆等;按燃料增殖性可分為:增殖堆和非增殖堆。核電站應(yīng)用最普遍的是壓水堆。 裂變反應(yīng)堆系統(tǒng)的一般組成是:核燃料元件、控制棒及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)、慢化劑、冷卻劑以及堆內(nèi)結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成的堆心。堆心連同包容它的反應(yīng)堆容器稱為反應(yīng)堆(見圖)。通常所說的反應(yīng)堆實(shí)際多指反應(yīng)堆系統(tǒng)或反應(yīng)堆裝置。反應(yīng)堆系統(tǒng)還包括主冷卻回路管道、主冷卻泵(或鼓風(fēng)機(jī))、蒸發(fā)器(或熱交換器)以及進(jìn)一步冷卻或利用熱能的二次回路。 核燃料 在反應(yīng)堆中受中子作用產(chǎn)生核裂變反應(yīng)并釋放中子和熱量的一種材料。作為燃料“燒掉”的是 3種可裂變核素鈾-233、鈾-235和钚-239中的一種或其混合物。直到80年代，廣泛使用的核燃料是鈾。天然鈾中含鈾-235只有0.71%，需通過擴(kuò)散、離心、激光等方法將天然鈾中的鈾-235和鈾-238分離，提供鈾-235含量比天然鈾比例更高的濃縮的鈾燃料。另兩種可裂變核素是在反應(yīng)堆中人工生產(chǎn)的。核燃料的應(yīng)用形式有作為固體燃料的純金屬、合金、化合物(特別是鈉的氧化物和碳化物)以及作為液體燃料的水溶液、液態(tài)金屬溶液和懸浮物。對固體燃料來說，為了包容裂變產(chǎn)物和防止核燃料的氧化和腐蝕，采用金屬或石墨包殼將燃料包覆起來。這種燃料稱為芯體。一組用合金包覆的燃料元件(形式可為棒狀、片狀和環(huán)狀)可裝配成組件，元件之間的定位部件稱為定位架。目前運(yùn)行的壓水堆、沸水堆、重水堆都采用這種燃料組件。用石墨包覆的核燃料顆粒與石墨混合，壓制成球形或棱柱形燃料元件，可用于高溫氣冷堆。鋯與金屬鈾的合金經(jīng)氫化，形成鈾氫鋯元件，用不銹鋼管包覆，可作為一種特殊試驗(yàn)堆(TRCA，實(shí)際是半均勻堆)的燃料元件。 慢化劑 核燃料裂變反應(yīng)釋放的中子為快中子，而在熱中子或中能中子反應(yīng)堆中要應(yīng)用慢化中子維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，慢化劑就是用來將快中子能量減少，使之慢化成為中子或中能中子的物質(zhì)。選擇慢化劑要考慮許多不同的要求。首先是核特性:即良好的慢化性能和盡可能低的中子俘獲截面;其次是價格、機(jī)械特性和輻照敏感性。有時慢化劑兼作冷卻劑，既使不是，在設(shè)計(jì)中兩者也是緊密相關(guān)的。應(yīng)用最多的固體慢化劑是石墨，其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的慢化性能和機(jī)械加工性能，小的中子俘獲截面和價廉。石墨是迄今發(fā)現(xiàn)的可以采用天然鈾為燃料的兩種慢化劑之一;另一種是重水。其他種類慢化劑則必須使用濃縮的核燃料。從核特性看，重水是更好的慢化劑，并且因其是液體，可兼做冷卻劑，主要缺點(diǎn)是價格較貴，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需有嚴(yán)格的密封要求。輕水是應(yīng)用最廣泛的慢化劑，雖然它的慢化性能不如重水，但價格便宜。重水和輕水有共同的缺點(diǎn),即產(chǎn)生輻照分解,出現(xiàn)氫、氧的積累和復(fù)合。 控制棒 在反應(yīng)堆中起補(bǔ)償和調(diào)節(jié)中子反應(yīng)性以及緊急停堆的作用。制作控制棒的材料其熱中子吸收截面大，而散射截面小。好的控制棒材料(如鉿、鏑等)在吸收中子后產(chǎn)生的新同位素仍具有大的熱中子吸收截面，因而使用壽命很長。核電站常用的控制棒材料有硼鋼、銀-銦-鎘合金等。其中含硼材料因資源豐富、價格低，應(yīng)用較廣，但它容易產(chǎn)生輻照脆化和尺寸變化(腫脹)。銀-銦-鎘合金熱中子吸收截面大，是輕水堆的主要控制材料。 壓水堆中采用棒束控制，控制材料制成棒狀，每個棒束由24根控制棒組成，均勻分布在17×17的燃料組件間。核電站通過專門驅(qū)動機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)控制棒插入燃料組件的深度，以控制反應(yīng)堆的反應(yīng)性，緊急情況下則利用控制棒停堆(這時，控制棒材料大量吸收熱中子，使自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無法維持而中止)。 冷卻劑 由主循環(huán)泵驅(qū)動，在一回路中循環(huán)，從堆心帶走熱量并傳給二回路中的工質(zhì)，使蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，以驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。冷卻劑是唯一既在堆心中工作又在堆外工作的一種反應(yīng)堆成分，這就要求冷卻劑必需在高溫和高中子通量場中工作是穩(wěn)定的。此外，大多數(shù)適合的流體以及它們含有的雜質(zhì)在中子輻照下將具有放射性，因此冷卻劑要用耐輻照的材料包容起來，用具有良好射線阻擋能力的材料進(jìn)行屏蔽。 理想的冷卻劑應(yīng)具有優(yōu)良慢化劑核特性，有較大的傳熱系數(shù)和熱容量、抗氧化以及不會產(chǎn)生很高的放射性。液態(tài)鈉(主要用于快中子堆)和鈉鉀合金(主要用于空間動力堆)具有大的熱容量和良好的傳熱性能。輕水在價格、處理、抗氧化和活化方面都有優(yōu)點(diǎn)，但是它的熱特性不好。重水是好的冷卻劑和慢化劑，但價格昂貴。氣體冷卻劑(如二氧化碳、氦)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但要求比液體冷卻劑更高的循環(huán)泵功率，系統(tǒng)密封性要求也較高。有機(jī)冷卻劑較突出的優(yōu)點(diǎn)是在堆內(nèi)的激活活性較低，這是因?yàn)槿坑袡C(jī)冷卻劑的中子俘獲截面較低，主要缺點(diǎn)是輻照分解率較大。應(yīng)用最普遍的壓水堆核電站用輕水作冷卻劑兼慢化劑。 屏蔽 為防護(hù)中子、γ射線和熱輻射，必須在反應(yīng)堆和大多數(shù)輔助設(shè)備周圍設(shè)置屏蔽層。其設(shè)計(jì)要力求造價便宜并節(jié)省空間。 對γ射線屏蔽，通常選擇鋼、鉛、普通混凝土和重混凝土。鋼的強(qiáng)度最好，但價格較高;鉛的優(yōu)點(diǎn)是密度高，因此鉛屏蔽厚度較小;混凝土比金屬便宜，但密度較小，因而屏蔽層厚度比其他的都大。 來自反應(yīng)堆的γ射線強(qiáng)度很高，被屏蔽體吸收后會發(fā)熱，因此緊靠反應(yīng)堆的γ射線屏蔽層中常設(shè)有冷卻水管。某些反應(yīng)堆堆心和壓力殼之間設(shè)有熱屏蔽，以減少中子引起壓力殼的輻照損傷和射線引起壓力殼發(fā)熱。 中子屏蔽需用有較大中子俘獲截面元素的材料，通常含硼,有時是濃縮的硼-10。有些屏蔽材料俘獲中子后放射出γ射線，因此在中子屏蔽外要有一層γ射線屏蔽。通常設(shè)計(jì)最外層屏蔽時應(yīng)將輻射減到人類允許劑量水平以下，常稱為生物屏蔽。核電站反應(yīng)堆最外層屏蔽一般選用普通混凝土或重混凝土。 -------------------------------------------------------------------------------- 核反應(yīng)堆是一種裝置，核連鎖反應(yīng)在其中啟動，控制，并維持在穩(wěn)定狀態(tài)。核反應(yīng)堆有許多用途，當(dāng)前最重要的用途是產(chǎn)生熱能，用以代替其他燃料加熱水，產(chǎn)生蒸汽發(fā)電，當(dāng)前全部商業(yè)核反應(yīng)堆都是基于核裂變的，其裂變產(chǎn)物可以生產(chǎn)核武器中使用的钚。法國是應(yīng)用核反應(yīng)堆發(fā)電較為廣泛的國家之一。隨著石油和煤炭資源日漸稀缺，核能發(fā)電開始受到重視。但是同時，核能發(fā)電產(chǎn)生的放射性廢物污染問題成為核能發(fā)展的障礙。