核電站反應(yīng)堆原理

【專家解說】：核反應(yīng)堆是核電站的心臟，它的工作原理是這樣的： 　　       原子由原子核與核外電子組成。原子核由質(zhì)子與中子組成。當鈾235的原子核受到外來中子轟擊時，一個原子核會吸收一個中子分裂成兩個質(zhì)量較小的原子核，同時放出2—3個中子。這裂變產(chǎn)生的中子又去轟擊另外的鈾235原子核，引起新的裂變。如此持續(xù)進行就是裂變的鏈式反應(yīng)。鏈式反應(yīng)產(chǎn)生大量熱能。用循環(huán)水(或其他物質(zhì))帶走熱量才能避免反應(yīng)堆因過熱燒毀。導出的熱量可以使水變成水蒸氣，推動氣輪機發(fā)電。由此可知，核反應(yīng)堆最基本的組成是裂變原子核＋熱載體。但是只有這兩項是不能工作的。因為，高速中子會大量飛散，這就需要使中子減速增加與原子核碰撞的機會；核反應(yīng)堆要依人的意愿決定工作狀態(tài)，這就要有控制設(shè)施；鈾及裂變產(chǎn)物都有強放射性，會對人造成傷害，因此必須有可靠的防護措施。綜上所述，核反應(yīng)堆的合理結(jié)構(gòu)應(yīng)該是：核燃料＋慢化劑＋熱載體＋控制設(shè)施＋防護裝置。 　　       還需要說明的是，鈾礦石不能直接做核燃料。鈾礦石要經(jīng)過精選、碾碎、酸浸、濃縮等程序，制成有一定鈾含量、一定幾何形狀的鈾棒才能參與反應(yīng)堆工作。 　　        熱堆的概念： 中子打入鈾－235的原于核以后，原子核就變得不穩(wěn)定，會分裂成兩個較小質(zhì)量的新原子核，這是核的裂變反應(yīng)，放出的能量叫裂變能；產(chǎn)生巨大能量的同時，還會放出2～3個中子和其它射線。 這些中子再打入別的鈾－235核，引起新的核裂變，新的裂變又產(chǎn)生新的中子和裂變能，如此不斷持續(xù)下去，就形成了鏈式反應(yīng) 利用原子核反應(yīng)原理建造的反應(yīng)堆需將裂變時釋放出的中子減速后，再引起新的核裂變，由于中子的運動速度與分子的熱運動達到平衡狀態(tài)，這種中子被稱為熱中子。堆內(nèi)主要由熱中子引起裂變的反應(yīng)堆叫做熱中子反應(yīng)堆（簡稱熱堆）。 熱中子反應(yīng)堆，它是用慢化劑把快中子速度降低，使之成為熱中子（或稱慢中子），再利用熱中子來進行鏈式反應(yīng)的一種裝置。由于熱中子更容易引起鈾－235等裂變，這樣，用少量裂變物質(zhì)就可獲得鏈式裂變反應(yīng)。慢化劑是一些含輕元素而又吸收中子少的物質(zhì)，如重水、鈹、石墨、水等。熱中子堆一般都是把燃料元件有規(guī)則地排列在慢化劑中，組成堆芯。鏈式反應(yīng)就是在堆芯中進行的。 反應(yīng)堆必須用冷卻劑把裂變能帶出堆芯。冷卻劑也是吸收中子很少的物質(zhì)。熱中子堆最常用的冷卻劑是輕水（普通水）、重水、二氧化碳和氦氣。 核電站的內(nèi)部它通常由一回路系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)組成。反應(yīng)堆是核電站的核心。反應(yīng)堆工作時放出的熱能，由一回路系統(tǒng)的冷卻劑帶出，用以產(chǎn)生蒸汽。因此，整個一回路系統(tǒng)被稱為“核供汽系統(tǒng)”，它相當于火電廠的鍋爐系統(tǒng)。為了確保安全，整個一回路系統(tǒng)裝在一個被稱為安全殼的密閉廠房內(nèi)，這樣，無論在正常運行或發(fā)生事故時都不會影響安全。由蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機組進行發(fā)電的二回路系統(tǒng)，與火電廠的汽輪發(fā)電機系統(tǒng)基本相同。 輕水堆――壓水堆電站 自從核電站問世以來，在工業(yè)上成熟的發(fā)電堆主要有以下三種：輕水堆、重水堆和石墨汽冷堆。它們相應(yīng)地被用到三種不同的核電站中，形成了現(xiàn)代核發(fā)電的主體。 目前，熱中子堆中的大多數(shù)是用輕水慢化和冷卻的所謂輕水堆。輕水堆又分為壓水堆和沸水堆。 壓水堆核電站 壓水堆核電站的一回路系統(tǒng)與二回路系統(tǒng)完全隔開，它是一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)。該核電站的原理流程為：主泵將高壓冷卻劑送入反應(yīng)堆，一般冷卻劑保持在120～160個大氣壓。在高壓情況下，冷卻劑的溫度即使300℃多也不會汽化。冷卻劑把核燃料放出的熱能帶出反應(yīng)堆，并進入蒸汽發(fā)生器，通過數(shù)以千計的傳熱管，把熱量傳給管外的二回路水，使水沸騰產(chǎn)生蒸汽；冷卻劑流經(jīng)蒸汽發(fā)生器后，再由主泵送入反應(yīng)堆，這樣來回循環(huán)，不斷地把反應(yīng)堆中的熱量帶出并轉(zhuǎn)換產(chǎn)生蒸汽。從蒸汽發(fā)生器出來的高溫高壓蒸汽，推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。做過功的廢汽在冷凝器中凝結(jié)成水，再由凝結(jié)給水泵送入加熱器，重新加熱后送回蒸汽發(fā)生器。這就是二回路循環(huán)系統(tǒng)。 壓水堆由壓力容器和堆芯兩部分組成。壓力容器是一個密封的、又厚又重的、高達數(shù)十米的圓筒形大鋼殼，所用的鋼材耐高溫高壓、耐腐蝕，用來推動汽輪機轉(zhuǎn)動的高溫高壓蒸汽就在這里產(chǎn)生的。在容器的頂部設(shè)置有控制棒驅(qū)動機構(gòu)，用以驅(qū)動控制棒在堆芯內(nèi)上下移動。 堆芯是反應(yīng)堆的心臟，裝在壓力容器中間。它是燃料組件構(gòu)成的。正如鍋爐燒的煤塊一樣，燃料芯塊是核電站“原子鍋爐”燃燒的基本單元。這種芯塊是由二氧化鈾燒結(jié)而成的，含有2～4%的鈾－235，呈小圓柱形，直徑為9.3毫米。把這種芯塊裝在兩端密封的鋯合金包殼管中，成為一根長約4米、直徑約10毫米的燃料元件棒。把 200多根燃料棒按正方形排列，用定位格架固定，組成燃料組件。每個堆芯一般由121個到193個組件組成。這樣，一座壓水堆所需燃料棒幾萬根，二氧化鈾芯塊1千多萬塊堆芯。此外，這種反應(yīng)堆的堆芯還有控制棒和含硼的冷卻水（冷卻劑）。控制棒用銀銦鎘材料制成，外面套有不銹鋼包殼，可以吸收反應(yīng)堆中的中子，它的粗細與燃料棒差不多。把多根控制棒組成棒束型，用來控制反應(yīng)堆核反應(yīng)的快慢。如果反應(yīng)堆發(fā)生故障，立即把足夠多的控制棒插入堆芯，在很短時間內(nèi)反應(yīng)堆就會停止工作，這就保證了反應(yīng)堆運行的安全。 輕水堆――沸水堆電站 沸水堆核電站 沸水堆核電站工作流程是：冷卻劑（水）從堆芯下部流進，在沿堆芯上升的過程中，從燃料棒那里得到了熱量，使冷卻劑變成了蒸汽和水的混合物，經(jīng)過汽水分離器和蒸汽干燥器，將分離出的蒸汽來推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。 沸水堆是由壓力容器及其中間的燃料元件、十字形控制棒和汽水分離器等組成。汽水分離器在堆芯的上部，它的作用是把蒸汽和水滴分開、防止水進入汽輪機，造成汽輪機葉片損壞。沸水堆所用的燃料和燃料組件與壓水堆相同。沸騰水既作慢化劑又作冷卻劑。 沸水堆與壓水堆不同之處在于冷卻水保持在較低的壓力（約為70個大氣壓）下，水通過堆芯變成約285℃的蒸汽，并直接被引入汽輪機。所以，沸水堆只有一個回路，省去了容易發(fā)生泄漏的蒸汽發(fā)生器，因而顯得很簡單。 總之，輕水堆核電站的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)和運行都比較簡單，尺寸較小，造價也低。