壓水堆核電站反應(yīng)堆核能與反應(yīng)堆基礎(chǔ)知識(shí)

壓水堆核電站反應(yīng)堆核能與反應(yīng)堆基礎(chǔ)知識(shí)1.1核能的特點(diǎn)………………核反應(yīng)堆與核電廠動(dòng)力系統(tǒng)……………1.2.1核電廠動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)介………………1.2.2反應(yīng)堆及其分類……………………隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，世界能量消耗的增長(zhǎng)是很快的。一方面隨著生活水平的提高，人均對(duì)能量的消耗也越來(lái)越高；另一方面，世界總?cè)丝谶€在不斷地增加。更主要的是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸方面按每人平均所消耗的能量增加了。世界上有些國(guó)家，有些地區(qū)因能源不足而延緩了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展的例子是不少的。核裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)表明，核能時(shí)代開始了。核能以它的本身的特點(diǎn)越來(lái)越得到人類的重視。核能，最初由于人們對(duì)此物理現(xiàn)象的不確切了解，稱為原子能。實(shí)際上它是由于原子核內(nèi)部發(fā)生裂變或聚變而產(chǎn)生的巨大的能量。目前在反應(yīng)堆中，用不帶電的粒子(中子)去轟擊靶核235U使之裂變從而釋放出大量的核能。但核能的產(chǎn)生并非容易，因?yàn)樵雍撕苄?，又帶正電。擊開它并非易事。早期人們一直是設(shè)想用加速的帶電粒子作為轟擊原子核的炮彈。為了使原子核分裂，曾設(shè)計(jì)了大型靜電加速器和回旋加速器，通過(guò)這些設(shè)備甚至可以把帶電粒子加速到近千萬(wàn)電子伏，但仍然很難擊開原子核，成千上萬(wàn)發(fā)的炮彈很可能只有一發(fā)炮彈能擊中原子核。如同愛因斯坦所說(shuō)，“我們好比是一些憋腳的射手，在黑暗的郊外打鳥，那里的鳥又非常少”。1932年查德威克(Chadwick)等人發(fā)現(xiàn)了中子。中子不帶電荷，和原子核之間沒有庫(kù)侖力的相互作用，容易接近原子核而引起核反應(yīng)。中子的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了核物理學(xué)的新紀(jì)元，也為重核裂變提供了強(qiáng)有力的“炮彈”。1938年哈恩(O.Hahn)和斯特拉斯曼(F.Strassmann)用放射化學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)和證實(shí)了235U在中子的轟擊下發(fā)生裂變的現(xiàn)象。但當(dāng)時(shí)把放出的新的中子給忽略了。后來(lái)，許多科學(xué)家利用各種方法（如電離室，云霧室等）來(lái)證明中子轟擊鈾核后，鈾核分裂成兩個(gè)質(zhì)量近似相等的碎片，同時(shí)放出兩個(gè)至三個(gè)的次級(jí)中子，還釋放出大量能量和射線。1946年我國(guó)科學(xué)家錢三強(qiáng)，何澤慧夫婦發(fā)現(xiàn)了鈾核在中子的轟擊下有時(shí)會(huì)分裂成三塊或四塊，但這種機(jī)會(huì)要小得多，這種分裂現(xiàn)象一般稱為三分裂或四分裂。1942年費(fèi)米(Fermi)在美國(guó)芝加哥大學(xué)建成世界上第一座天然鈾石墨熱中子反應(yīng)堆CP-1，用了40噸天然鈾（其中6噸金屬鈾），385噸石墨，2000根鈾棒組成的10.510.542cm的柵格。1.1核能的特點(diǎn)核電廠中產(chǎn)生的能量是由于在反應(yīng)堆裝置中，靶核235U在中子的轟擊下，產(chǎn)生裂變反應(yīng)同時(shí)釋放出大量的能量。這種由于原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成的變化而釋放出來(lái)的能量稱為核能。那么核能有哪些特點(diǎn)呢？

首先，核能的能值高，一公斤鈾全部裂變所釋放的裂變能，大約和2700噸煤或2000噸石油相當(dāng)。煤和石油的發(fā)電是利用物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)。而核能的釋放是由于原子核的內(nèi)能變化而產(chǎn)生的能量。特別是在煤資源、水力資源缺乏的地區(qū)，如果用核能來(lái)發(fā)電，將是很適宜的方案。到1994年年底，法國(guó)的核電已占法國(guó)總電力的75.29%。其次，核能主要利用鈾、釷同位素。而這些同位素的礦藏量以及海水中氘所蘊(yùn)含的能量?jī)?chǔ)藏量豐富廣泛。目前主要用于能源的是化石燃料，也就是煤、天然氣和石油，以及水力。但露天采礦和燒煤對(duì)地表的破壞和對(duì)環(huán)境的污染是很嚴(yán)重的。更主要的是煤和石油還能為生產(chǎn)化學(xué)制品(包括藥品、染料、纖維、橡膠和塑料等)提供基本的原料，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，將化石燃料用于原料方面比用作能源可能更有價(jià)值。至于水力資源并不是任何地區(qū)都有的，往往是缺少水力資源的大城市、沿海城市卻需要更多的電力。再次，隨著核技術(shù)的不斷完善，核能已被公認(rèn)為一種價(jià)格上能和其他能源相競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)電用能源，見表1.1-1。表1.1-1核電站與火電站發(fā)電成本比較美國(guó)法國(guó)日本燒油電站8.1美分/度電28生丁/度電13.06日元/度電燒煤電站4.8美分/度電10.45日元/度電核電站4.3美分/度電21生丁/度電8.9日元/度電最后，核能對(duì)大自然的環(huán)境污染小。核電廠不放出二氧化碳、二氧化硫和氮的氧化物，不會(huì)造成溫室效應(yīng)和酸雨，從而保護(hù)了人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。當(dāng)前作為核能利用的主要裝置是核電廠。由于安全措施嚴(yán)格，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，因而發(fā)生事故的幾率很小。但是為了做到安全可靠，萬(wàn)無(wú)一失，并防止事故引起放射性擴(kuò)散，核電站中設(shè)置了三道放射性屏障和應(yīng)急事故處理系統(tǒng)。圖1.1-1為壓水堆核電站放射性三道屏障示意圖。第一道屏障是核燃料元件棒包殼，它能承受約200大氣壓的壓力。放射性裂變產(chǎn)物被限制在包殼管內(nèi)；第二道屏障是反應(yīng)堆壓力容器和一回路耐壓管道。即使燃料元件包殼萬(wàn)一破損，其放射性物質(zhì)也只能外漏到一回路中；第三道屏障是安全殼，它將反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)的主要設(shè)備密封在安全殼內(nèi)。因而，即使第二道屏障萬(wàn)一破損，其放射性物質(zhì)也只能密封在安全殼內(nèi)。更由于它能值高，燒過(guò)的燃料還能進(jìn)行后處理再做成新的燃料。特別是快中子增殖反應(yīng)堆的出現(xiàn)，它能對(duì)燃料進(jìn)行增殖，能把不能裂變的238U轉(zhuǎn)變成核燃料239Pu，大大地增加了對(duì)鈾資源的利用?，F(xiàn)代人類所能利用的能源，不外乎是水力、化石燃料、核能以及太陽(yáng)能、風(fēng)力、潮汐能、地?zé)崮艿?。水力能源雖有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但往往受到地理?xiàng)l件的限制，建造費(fèi)用龐大，電力輸送費(fèi)用高。至于太陽(yáng)能、潮汐能、風(fēng)力及地?zé)岚l(fā)電，目前雖然經(jīng)過(guò)研究試驗(yàn)已開始應(yīng)用，但要大規(guī)模地利用及開發(fā)卻受到很多條件的限制。因此，核能是當(dāng)前比較有現(xiàn)實(shí)意義的能源。1.2核反應(yīng)堆與核電廠動(dòng)力系統(tǒng)核反應(yīng)堆是利用易裂變物質(zhì)，使之發(fā)生可控的自持裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一種裝置。它是核電廠產(chǎn)生能量的主要設(shè)備。1.2.1核電廠動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)介圖1.2-1給出了核反應(yīng)堆裝置的示意圖。冷卻劑經(jīng)堆芯帶走熱量經(jīng)蒸發(fā)器，通過(guò)主泵再流入堆芯。這個(gè)閉合回路稱一次回路，簡(jiǎn)稱一回路。對(duì)于壓水堆，一回路也是高溫高壓回路，由于冷卻水是流經(jīng)堆芯的，因而它具有放射性。從蒸發(fā)器出來(lái)的汽通過(guò)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從汽輪機(jī)出來(lái)的汽水混合物通過(guò)冷凝器流入蒸發(fā)器，這一回路稱二次回路，簡(jiǎn)稱二回路。1.2.2反應(yīng)堆及其分類當(dāng)前世界上有各種各樣的反應(yīng)堆，我們可以將他們分一下類。1.按核反應(yīng)堆的用途分類生產(chǎn)堆生產(chǎn)易裂變材料，同位素或用于工業(yè)規(guī)模輻照的反應(yīng)堆。它們的主要反應(yīng)式如238U＋n→239Pu6Li＋n→3H+4He232Th＋n→233Th→233U239Pu是一種很好的易裂變物質(zhì)，239Pu裂變時(shí)能放出大量的裂變能。而238U本身對(duì)熱中子是不裂變的，在自然界的鈾礦中，它的豐度為99.2%。大量的232Th存在于自然界，它本身不能裂變。但它可以吸收中子形成233U，而233U是一種很好的易裂變物質(zhì)。利用上述過(guò)程，可使大量的232Th礦資源得到利用。而6Li放在堆內(nèi)受中子輻照而產(chǎn)生的氚(3H)則是氫彈的重要物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)堆主要包括零功率裝置，實(shí)驗(yàn)研究堆和原型堆等。主要用于實(shí)驗(yàn)研究，為設(shè)計(jì)和研制反應(yīng)堆或新型堆取得必要的反應(yīng)堆物理或堆工程數(shù)據(jù)。動(dòng)力堆用作動(dòng)力和直接發(fā)電的反應(yīng)堆。它分為移動(dòng)式(如核潛艇)和固定式(發(fā)電)。動(dòng)力堆用作發(fā)電其優(yōu)越性越來(lái)越被人們接受。田灣核電站中的反應(yīng)堆就屬于這種范疇。2.按冷卻劑類型分類壓水堆輕水作冷卻劑、慢化劑。燃料一般采用低富集的二氧化鈾。輕水慢化，水的導(dǎo)熱性能好。該堆型結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度高。平均燃耗深，負(fù)溫度系數(shù)，比較安全可靠。高壓(14-16兆帕)使得水溫在300℃左右而不沸騰。沸水堆與壓水堆一樣，冷卻劑為水，但允許沸騰，壓力低，省去一個(gè)回路(一回路與二回路合二為一)。水沸騰后將使堆芯內(nèi)中子的慢化性能變差，因而必須增大堆芯體積，燃料裝載量要比同樣功率的壓水堆大50%左右。重水堆冷卻劑、慢化劑都為重水。由于重水的慢化性能好，熱中子吸收截面小，故燃料可用天燃鈾。重水的泄漏是一個(gè)要認(rèn)真對(duì)待的技術(shù)關(guān)鍵。氣冷堆一般用CO2作冷卻劑，石墨作慢化劑。燃耗深，轉(zhuǎn)換比高，體積大。鈉冷堆沒有慢化劑，金屬鈉作冷卻劑。燃料要求高富集鈾或鈾钚混合燃料，壓力低，冷卻劑的進(jìn)出口溫差大，功率密度大。3.按引起裂變的中子能量來(lái)分類熱中子反應(yīng)堆引起燃料核裂變的中子能量在0.0253電子伏左右。大多數(shù)壓水堆即屬于這種類型?？熘凶臃磻?yīng)堆引起燃料核裂變的中子能量在0.1兆電子伏附近。例如鈉冷堆。中能中子反應(yīng)堆引起裂變的中子能量介于熱中子堆和快中子堆之間。綜上所述，田灣核電廠中的反應(yīng)堆裝置中靶核裂變時(shí)釋放出來(lái)的能量用來(lái)發(fā)電，因而它是屬于動(dòng)力堆范疇。由于它用輕水作冷卻劑、慢化劑。采用低富集的