輕水?重水?

【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(jì)，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(jià)的長處，此外其減速效率也很高沸騰水堆的特點(diǎn)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(duì)輕水一般加100至160個(gè)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(diǎn)為100℃，重水的沸點(diǎn)為101.42℃；普通水的冰點(diǎn)為0℃，重水的冰點(diǎn)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(dòng)物若是喝了重水，還會(huì)引起死亡。不過，重水的特殊價(jià)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(gè)質(zhì)子。它和一個(gè)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(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。它和一個(gè)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(gè)中子和一個(gè)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?yàn)橹厮疅o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(diǎn)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——?dú)浣粨Q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(dòng)，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(jí)塔的熱段和冷段的接合處排出，并且在下一級(jí)塔中重復(fù)這一過程。最后一級(jí)的產(chǎn)品(氘濃縮至高達(dá)30%的水)送入一個(gè)蒸鎦單元以制備反應(yīng)堆級(jí)的重水（即99．75％的氧化氘）。 氨——?dú)浣粨Q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(dòng)，而液氨從塔頂向塔底流動(dòng)。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(jí)中得到進(jìn)一步濃縮，最后通過蒸餾生產(chǎn)出反應(yīng)堆級(jí)重水。合成氣進(jìn)料可由氨廠提供，而這個(gè)氨廠也可以結(jié)合氨——?dú)浣粨Q法重水廠一起建造。氨——?dú)浣粨Q法也可以用普通水作為氘的供料源。 利用GS法或氨——?dú)浣粨Q法生產(chǎn)重水的工廠所用的許多關(guān)鍵設(shè)備項(xiàng)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(duì)于利用GS法的小廠來說尤其如此。然而，這種設(shè)備項(xiàng)目很少有“現(xiàn)貨”供應(yīng)。GS法和氨——?dú)浣粨Q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(jì)和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(xiàng)目將按照用戶的要求制造。 最后，應(yīng)該指出，對(duì)GS法和氨——?dú)浣粨Q法而言，那些單獨(dú)地看并非專門設(shè)計(jì)或制造用于重水生產(chǎn)的設(shè)備項(xiàng)目可以組裝成專門設(shè)計(jì)或制造用于生產(chǎn)重水的系統(tǒng)。氨——?dú)浣粨Q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(jí)所用的水蒸餾系統(tǒng)就是此類系統(tǒng)的實(shí)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?yàn)楣苁街厮训睦鋮s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(shí)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(dòng)。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(dòng)，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(dòng)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(jì)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(dòng)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(dòng)發(fā)電機(jī)。 因?yàn)檩p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(jì)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(diǎn)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(duì)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(diǎn)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。