核反應(yīng)堆和核電站2

5核電站作為一種新能源的特點(diǎn)1）核電站的經(jīng)濟(jì)性一座1000MW的核電站，每年只需30噸左右的核燃料，而同功率的煤電站，每年需330萬(wàn)噸的煤炭。發(fā)電站每度電的成本包括建造投資費(fèi)、燃料循環(huán)費(fèi)及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)。建造費(fèi)燃料費(fèi)核電站60~70%~30%煤電站20~30%60~70%核電站的建造費(fèi)較高，約為同規(guī)模的煤電站的1.5倍，由于燃料成本是長(zhǎng)期起作用的因素，所以核電成本低于煤電（絕大多數(shù)發(fā)展核電的國(guó)家都如此）。2）核電站對(duì)改善環(huán)境起重要作用一座1000MW的煤電站，一年要向大氣排放77萬(wàn)噸的煙塵，6.1萬(wàn)噸CO2，1.3萬(wàn)噸氮?dú)浠铮?30公斤強(qiáng)致癌物質(zhì)3-4苯并芘（每1000m3空氣中苯并芘增加1微克，肺癌放生率就增加5-10%）。核電站不排放。由于煤渣及飄塵中含有鈾、釷、鐳和氡等天然放射性同位素，加上火電廠中煤的吞吐量大，又無(wú)防護(hù)措施，所以火電廠排放到環(huán)境中的放射性，比同規(guī)模的核電廠大幾倍到幾十倍，正常運(yùn)行下核電廠放射性只有本底放射性的1%，火電廠消耗的煤太多，放射性污染難以控制。3）核電站的安全性核燃料在反應(yīng)堆中裂變時(shí)，產(chǎn)生大量的放射性物質(zhì)，因此，核電站是一個(gè)有很大潛在危險(xiǎn)性的能源設(shè)施，對(duì)它必須處處設(shè)防，避免各種可能事故發(fā)生。核電站設(shè)計(jì)的安全標(biāo)準(zhǔn)很高，這是它建設(shè)投資成本的重要原因。壓水堆核電站有4道安全屏障：二氧化鈾陶瓷塊可耐高溫，燃料組件包殼有很好密封，整個(gè)堆芯密封在壓力容器（厚20cm的鋼）內(nèi)，有堅(jiān)固的安全殼；因此安全性能夠保證。兩次嚴(yán)重人為核事故：1979年美國(guó)三里島核電站二回路故障，造成失水，無(wú)法導(dǎo)出余熱，部分燃料棒熔化、破損，放射性泄漏，但對(duì)環(huán)境影響不大。1986年切爾諾貝利核電站嚴(yán)重事故，也是人為造成的。停堆進(jìn)行電機(jī)性能試驗(yàn)，切斷安全保護(hù)系統(tǒng)，將堆內(nèi)大部分控制棒迅速拔出，剩下8根時(shí)，反應(yīng)堆功率失控，被切斷的安全保護(hù)系統(tǒng)無(wú)法動(dòng)作，引起爆炸與燃燒，堆芯熔化，放射性嚴(yán)重泄漏，大范圍污染環(huán)境和大量人員死傷（31人死亡、203人放射病、400萬(wàn)人低劑量輻射）。發(fā)生事故技術(shù)上的原因：石墨水冷堆是軍用生產(chǎn)堆基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，安全性低，體積龐大，為節(jié)省造價(jià)，無(wú)安全殼，發(fā)生事故時(shí)無(wú)法挽救。壓水堆有多道保護(hù)屏障，是安全可靠的!6核裂變彈（原子彈）用235U或239Pu作燃料常密度r0下，無(wú)反射層，球體形狀的臨界質(zhì)量：

235U

239Pu

MCO

~50kg

~16kg

密度r時(shí)的臨界質(zhì)量：例如，當(dāng)r=2r0時(shí)，235U

及Pu裸球的臨界質(zhì)量就分別減為~12.5kg及~4kg。1）壓攏型（“槍式”）：初始狀態(tài)為分開(kāi)的兩部分（譬如說(shuō)，兩半球），每一部分都次臨界（譬如說(shuō)，<40kg235U)，然后用炸藥使兩部分很塊壓攏，達(dá)到高超臨界。2）壓緊型（“內(nèi)爆式”）：初始狀態(tài)為次臨界狀態(tài)的球（譬如說(shuō)，常密度時(shí)30kg的235U球），然后用炸藥從四周向內(nèi)爆壓，將鈾的密度很塊壓到兩倍以上，達(dá)到高超臨界，壓緊型用核燃料省，效率高。中心用中子點(diǎn)火器點(diǎn)火。原子彈結(jié)構(gòu)原理中國(guó)第一次核試驗(yàn)的蘑菇云7加強(qiáng)彈、氫彈和中子彈1）加強(qiáng)型彈原子彈外圍加一層6LiD，其外再加238U或天然鈾包殼。利用原子彈爆炸時(shí)放出的中子，和6Li反應(yīng)產(chǎn)生3H（氚）：所產(chǎn)生的3H再和氘D（即2H）在原子彈所提供的高溫下產(chǎn)生熱核聚變反應(yīng)：反應(yīng)中放出的高能中子（能量達(dá)14MeV左右），可使238U發(fā)生裂變，加強(qiáng)原子彈的威力。2）氫彈以6LiD為主要裝料，用原子彈扳機(jī)提供的能量使6LiD達(dá)到高密度和高溫狀態(tài)，扳機(jī)提供的中子引發(fā)上述、兩反應(yīng)的快速循環(huán)。AZYUL氫彈結(jié)構(gòu)原理由于不受臨界尺寸的限制，6LiD裝料可以很多，使氫彈達(dá)到幾百萬(wàn)噸TNT當(dāng)量以上的威力。調(diào)節(jié)238U或天然鈾包層的厚薄可以增加或減少氫彈威力中的放射性成分（來(lái)自裂變產(chǎn)物）。第一次氫彈試驗(yàn)成功3）中子彈以氘（2H）及氚（3H）為主要裝料，利用（盡可能小的）原子彈扳機(jī)提供的高溫，引發(fā)熱核聚變反應(yīng)可用鈹?shù)模╪，2n）反應(yīng)，增加中子產(chǎn)額。（鈹作包殼材料）：

8受控?zé)岷朔磻?yīng)1）要實(shí)現(xiàn)聚變潛能的和平利用，必須設(shè)法使氘-氘或氘-氚的熱核反應(yīng)能受到人工控制?？刂频碾y點(diǎn)在于：在能夠有效進(jìn)行熱核反應(yīng)的高溫（108

K以上）下，氘、氚都會(huì)電離，變成等離子體狀態(tài)，其熱運(yùn)動(dòng)不易約束（因容器也會(huì)氣化），而易飛散。若飛散過(guò)快，就來(lái)不及進(jìn)行深度的熱核反應(yīng)。太陽(yáng)和恒星內(nèi)部進(jìn)行的熱核反應(yīng)，受引力約束，不致飛散；相反，可以抗衡引力坍縮的傾向。地球上引力不足以約束高溫氘、氚等離子體；已知的約束方法是：1磁約束；2慣性約束。（參看書(shū)P.50－51）約束高溫等離子體的勞遜判據(jù)：DT反應(yīng)DD反應(yīng)n=粒子數(shù)/米3，t＝約束時(shí)間（秒），T=溫度

受控?zé)岷司圩冄芯康闹匾锍瘫?991年11月9日，英國(guó)牛津附近的歐洲聯(lián)合核聚變實(shí)驗(yàn)室的裝置JET首次成功地實(shí)現(xiàn)了受控?zé)岷司圩兊脑囼?yàn)。這次試驗(yàn)使用了0.2克氚，以86%氘和14%氚的比例混合氘和氚。實(shí)驗(yàn)中費(fèi)了15MW電“點(diǎn)火”，使裝置內(nèi)達(dá)到了3108K,聚變持續(xù)了2秒鐘，產(chǎn)生了1.7MW的電能，核聚變特征乘積ntT達(dá)到9.51020m-3·s·keV已十分接近ntT51021m-3·s·keV的指標(biāo)要求，能量的輸出與輸入之比為1.7:150.11，說(shuō)明，它離聚變能的商業(yè)性開(kāi)發(fā)還相差很遠(yuǎn)。1993年12月9日~10日，美國(guó)普林斯頓大學(xué)等離子體實(shí)驗(yàn)室的托卡馬克聚變?cè)囼?yàn)反應(yīng)堆TFTR進(jìn)行了4次氘氚實(shí)驗(yàn)；最后一次的最高輸出功率為6.4MW，實(shí)驗(yàn)中使用了50%的氘和50%的氚的混合物，溫度達(dá)3~4億度，消耗能量20MW。L=6.4:20=0.32。1994年5月的實(shí)驗(yàn)：9:20=0.45TFTR是美國(guó)能源部耗費(fèi)14億美元建造的，年度經(jīng)費(fèi)預(yù)算1億美元。它還不能達(dá)到得失相當(dāng)。必須擴(kuò)大規(guī)模，使它輸出的功率不但能補(bǔ)償“點(diǎn)火”消耗的電能，還能產(chǎn)生約束等離子體的電磁場(chǎng)線圈所需的電能（約為點(diǎn)火電能的5倍），并使約束時(shí)間每次超過(guò)1小時(shí)。美國(guó)、歐共體、日本及俄國(guó)曾計(jì)劃設(shè)計(jì)、建造一個(gè)規(guī)模更大的裝置——國(guó)際熱核試驗(yàn)性反應(yīng)堆ITER，費(fèi)用估計(jì)將達(dá)1000億美元以上。后來(lái)因美國(guó)的不積極，進(jìn)展部分停頓。中國(guó)環(huán)流器（HL-1M)核科學(xué)技術(shù)繼續(xù)造福人類生命科學(xué)