核電站的發(fā)電原理

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鈾元素發(fā)生裂變

如果除去核反應(yīng)堆，核電站和火電站除了生成蒸汽的熱源不同外，差異很少。

而建造一個(gè)核反應(yīng)堆需要一種特別的鈾。 鈾是地球上一種相當(dāng)普通的元素，在地球形成時(shí)就存在于這個(gè)行星中了。而最有價(jià)值的，是鈾-235。

雖然，鈾-235占據(jù)了所有鈾存量中的0.7%，但它有一個(gè)奇特的特性，那就是：它是少數(shù)能夠誘發(fā)裂變的物質(zhì)之一。它既可以用于核能發(fā)電，也可以用于制造核彈。

除了鈾-235之外，核電站的另一種燃料就是：钚-239。钚-239可以使用中子轟擊鈾-238而得到———這是核反應(yīng)堆中時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生著的事。

鈾-235原子捕捉一個(gè)正在穿過(guò)的中子的概率非常高。

在正常工作的核反應(yīng)堆中（稱(chēng)為臨界狀態(tài)），每次裂變釋放出的中子都會(huì)導(dǎo)致另一次裂變的發(fā)生。而，鈾-235原子捕捉中子并發(fā)生分解的過(guò)程非常迅速，單位以皮秒計(jì)算（1皮秒=一萬(wàn)億分之一秒）。

當(dāng)單個(gè)原子分解時(shí)，會(huì)有巨大的能量通過(guò)熱和伽馬輻射的形式釋放出來(lái)。

所有核電站反應(yīng)堆的基本原理都是利用核裂變反應(yīng)，對(duì)水進(jìn)行加熱并將其轉(zhuǎn)化為蒸汽。再用蒸汽推動(dòng)蒸汽輪機(jī)，而蒸汽輪機(jī)則帶動(dòng)發(fā)電機(jī)來(lái)發(fā)電。

2密閉結(jié)構(gòu)里的反應(yīng)

通常，鈾被制作成直徑相當(dāng)于一枚硬幣大小、長(zhǎng)度為2.5厘米左右的燃料元件。燃料元件被安裝到長(zhǎng)燃料棒中，燃料棒又被組裝成燃料組件。

燃料組件通常被浸泡在壓力容器中，容器中的水起冷卻作用。

為使反應(yīng)堆工作，浸泡在水中的燃料組件必須處于稍微超臨界的狀態(tài)。這意味著，如果沒(méi)有其他設(shè)備，鈾最終將會(huì)過(guò)熱并熔化。

為防止這種情況出現(xiàn)，由吸收中子的材料制成的控制棒通過(guò)升降裝置插入到燃料組件中，操作員通過(guò)升降控制棒來(lái)控制核反應(yīng)的程度。

當(dāng)操作員希望鈾堆芯產(chǎn)生更多的熱量時(shí)，可將控制棒從鈾燃料組件中升起。要使熱量減少，則降低控制棒以插入到鈾燃料組件中。在發(fā)生事故或者更換燃料時(shí)，控制棒還能被完全插入鈾燃料組件中以關(guān)閉核反應(yīng)堆。

鈾燃料組件是一個(gè)能夠產(chǎn)生極高能量的熱源，它加熱水并將其轉(zhuǎn)化為蒸汽。蒸汽推動(dòng)蒸汽輪機(jī)，而汽輪機(jī)則帶動(dòng)發(fā)電機(jī)來(lái)發(fā)電。

在某些反應(yīng)堆中，反應(yīng)堆產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)二級(jí)中介熱交換裝置，將另一個(gè)回路的水加熱為蒸汽來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)汽輪機(jī)。這種設(shè)計(jì)的好處是：放射性的水或者水蒸氣不會(huì)接觸到汽輪機(jī)。

同樣，在某些反應(yīng)堆中，與反應(yīng)堆堆芯接觸的冷卻流體是氣體（如二氧化碳）或者液態(tài)金屬（如鈉或鉀），這種類(lèi)型的反應(yīng)堆允許堆芯在更高的溫度下工作。 反應(yīng)堆的壓力容器通常被放置在一個(gè)用作輻射防護(hù)的混凝土襯里內(nèi)。

這個(gè)襯里被安裝在一個(gè)更大的鋼制密閉容器中，這個(gè)容器中有反應(yīng)堆堆芯以及供工作人員維護(hù)反應(yīng)堆的硬件設(shè)施（吊車(chē)等），容器的作用是防止放射性氣體或液體泄漏。

最后，這個(gè)密閉容器被外部的混凝土建筑保護(hù)，它的強(qiáng)度能夠承受?chē)姎馐斤w機(jī)的撞擊。這些二級(jí)密閉結(jié)構(gòu)對(duì)防范如在三里島事故中那樣的輻射或放射性蒸汽的泄漏是必要的。

前蘇聯(lián)的核電站中由于沒(méi)有二級(jí)密閉結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致了切爾諾貝利核電站事故。

3福島核泄真解

“它已經(jīng)超過(guò)了它的設(shè)計(jì)壽命?！?/p>

這是畢業(yè)于東京大學(xué)的蔡士進(jìn)博士去年參觀福島核電站的感受。

福島核電站所使用的是“沸水反應(yīng)堆”，由美國(guó)通用電氣公司在上世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)。

汽輪機(jī)系統(tǒng)的給水進(jìn)入反應(yīng)堆壓力容器后，在反應(yīng)堆內(nèi)受熱汽化。所產(chǎn)生的蒸汽通往汽輪發(fā)電機(jī)，直接推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)，做功發(fā)電。蒸汽冷凝后經(jīng)凈化、加熱后，再由水泵送入反應(yīng)堆壓力容器，形成一次閉合循環(huán)。

相比現(xiàn)在常見(jiàn)的反應(yīng)堆，這樣的設(shè)計(jì)省去了蒸汽發(fā)生器，降低了造價(jià)、能量損耗和占地面積。但是，由于蒸汽只經(jīng)過(guò)一套循環(huán)回路，必將反應(yīng)堆中的熱傳遞出去，所以帶有放射性的蒸汽，貫穿于整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中。因此，運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中要考慮防輻射的問(wèn)題，也提高了運(yùn)行的費(fèi)用。

海嘯后，即便反應(yīng)堆已經(jīng)停止“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”，但裂變過(guò)程中產(chǎn)生的一些放射性副產(chǎn)品仍在進(jìn)行衰變，并產(chǎn)生余熱。余熱在反應(yīng)堆關(guān)閉后會(huì)逐漸消失，但仍需要冷卻系統(tǒng)來(lái)消除余熱，防止燃料棒過(guò)熱造成屏障失效、核物質(zhì)泄漏。

“這是它的設(shè)計(jì)上的一個(gè)問(wèn)題，”大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司輻射防護(hù)高級(jí)工程師姚一正分析說(shuō)：“全廠斷電的時(shí)候，它的冷卻系統(tǒng)會(huì)排出部分的熱衰變產(chǎn)物。”

由于給冷卻供電的柴油機(jī)被破壞，余熱溫度降不下來(lái)，為了保住壓力容器，防止壓力容器超壓爆炸，必須進(jìn)行卸壓。就在打開(kāi)壓力閥釋放蒸汽時(shí)，排出了部分銫、碘等熱衰變產(chǎn)生的同位素，于是出現(xiàn)了這次泄漏事件。

至于接二連三發(fā)生的爆炸現(xiàn)象，是因?yàn)槿剂习袈冻鏊?，棒殼發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生了氫氣。由于氫氣的質(zhì)量比空氣低，就會(huì)在聚集在廠房上部，當(dāng)它達(dá)到4%的濃度時(shí)，就會(huì)引發(fā)爆炸。

4大亞灣采用“二代加”技術(shù)

和福島核電站所使用的“沸水反應(yīng)堆”不一樣的是，全世界的核電站中多數(shù)采用“壓水反應(yīng)堆”。與前者相比，后者設(shè)計(jì)更安全。

而在中國(guó)大陸的核能發(fā)電站的輕反應(yīng)堆中，只有“壓水反應(yīng)堆”。

據(jù)姚一正介紹，大亞灣核電站的“壓水反應(yīng)堆”采用的是“二代加”技術(shù)，引自法國(guó)，多次在原有基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，“安全性比較大”。

“壓水反應(yīng)堆”最大的特點(diǎn)是其由兩個(gè)循環(huán)回路組成。

“兩個(gè)回路，只有熱交換，沒(méi)有水交換”，也就說(shuō)讓放射性物質(zhì)全部在反應(yīng)堆里面。

一回路連接著堆芯和二回路中的蒸汽發(fā)生器，回路內(nèi)壓強(qiáng)保持在150個(gè)大氣壓，在此壓強(qiáng)下可將水加熱至343℃而不沸騰。

一回路水在蒸汽發(fā)生器中，將壓強(qiáng)為70個(gè)大氣壓的二回路水加熱至沸騰，形成的水蒸氣，通過(guò)二回路送至汽輪機(jī)，推動(dòng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

釋放了熱能的一回路水回流至堆芯，完成一回路循環(huán)。從汽輪機(jī)流出的二回路水經(jīng)冷凝器凝結(jié)為液態(tài)水后，回流至蒸汽發(fā)生器，完成二回路循環(huán)。

除了反應(yīng)堆回路設(shè)計(jì)上的不同，大亞灣核電站與福島核電站在安全性上也有區(qū)別———如，采用了雙層安全殼，回路系統(tǒng)對(duì)空排氣散熱，額外備用柴油機(jī)，保證冷卻系統(tǒng)供電；使用氫氣消除系統(tǒng)，防止氫氣聚集爆炸等等。

5切爾諾貝利的缺陷

1986年4月，前蘇聯(lián)烏克蘭境內(nèi)的切爾諾貝利核電站4號(hào)機(jī)發(fā)生爆炸，釀成迄今為止人類(lèi)歷史上唯一一起最高級(jí)核安全事故。

周邊地區(qū)共有約3萬(wàn)多平方公里的土地遭受了嚴(yán)重污染。確診為不同程度急性放射病者134人，有28人在數(shù)周內(nèi)死亡，另有2人死于化學(xué)爆炸和燒傷，有14人在10年內(nèi)死亡。到2006年，官方的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是，從事發(fā)到目前共有4000多人死亡。

切爾諾貝利核電站本身有很大設(shè)計(jì)缺陷。它采用前蘇聯(lián)獨(dú)有的一種反應(yīng)堆技術(shù)，“壓力管式石墨慢化沸水堆”。使用石墨作慢化劑，輕水作冷卻劑，在壓力管內(nèi)沸騰。系統(tǒng)只有一個(gè)回路，沒(méi)有安全殼。一旦失水，堆芯內(nèi)的石墨在高溫下就容易燃燒。

在切爾諾貝利事件中，工作人員操作違規(guī)，引起了反應(yīng)堆的爆炸。同時(shí)，由于沒(méi)有安全殼設(shè)計(jì)，大火引起的高溫導(dǎo)致放射性物質(zhì)直接進(jìn)入1200米的高空，向四周擴(kuò)散核污染物，最終造成慘劇。

6日本核災(zāi)

啟示錄

日本核災(zāi)爆發(fā)，喚醒了各國(guó)已蒙塵上世紀(jì)的核災(zāi)記憶。

核災(zāi)，不是一般的災(zāi)害。地震和海嘯過(guò)后，民眾或可回到家園，進(jìn)行生活和經(jīng)濟(jì)的重建之路。核災(zāi)卻是恐怖的噩夢(mèng)。

日本政府目前已撤離核電廠半徑20公里內(nèi)的近20萬(wàn)住民，因?yàn)檫@20公里邊的城鎮(zhèn)測(cè)出輻射量超出平常值的6600倍。而距離福島240公里的東京，一度測(cè)出輻射量超出平常值21倍。

歐盟執(zhí)委會(huì)主管能源事務(wù)委員厄廷格形容，日本這場(chǎng)大災(zāi)難猶如“啟示錄”。

這則啟示錄并非難測(cè)的天災(zāi)，更非神秘的末日預(yù)言，而是要正視核電廠設(shè)計(jì)耐震系數(shù)不足的問(wèn)題；沸水式反應(yīng)爐爐心隔板設(shè)計(jì)不良，可能發(fā)生控制棒無(wú)法正常進(jìn)入的問(wèn)題；配管裂縫可能導(dǎo)致的冷卻水外泄問(wèn)題等等。