高中物理 第4章 核能 第4节 核能的利用与环境保护 原子能发电素材 鲁科版选修35

原子能发电
（一）核电站的特殊优点
随着工农业生产突飞猛进地发展，电力的消耗量与日俱增。

据有人估计，目前世界上能源的消耗是每八到十年就要翻一番。

目前每年消耗的各种能源折合成煤，大约每年要消耗九十亿吨煤。

据估计到2000年以后，每年大约要消耗三百五十亿吨煤。

所以，积极发展新的能源便具有极为重要的政治、军事和经济上的意义。

原子能电站，也就是通常说的核电站，就是当前比较现实的能提供新能源的重要途径。

目前世界上已经有二、三十个国家，建成了二、三百座核电站，总发电功率为一亿多千瓦。

尚有数百座总功率达几亿千瓦的核电站正在建设之中，估计到本世纪末，将有一半以上电站是靠原子能发电的。

核电站究竟有什么独特的优点呢？
我们知道普通的火力发电厂，是利用煤或者石油燃烧发出的热量，使锅炉里产生大量高压蒸汽，利用这蒸汽推动气轮机高速转动，从而再带动发电机转动发出电来。

核电站中的裂变反应堆就相当于火力发电厂的锅炉，只不过燃烧的不是煤或石油，而是铀原子核。

我们利用铀原子核在反应堆里进行链式反应，由裂变过程产生的裂变碎块以极大的动能转变为热能。

此外，裂变过程中释放的中子以及γ光子等射线的能量也转化成热能。

当我们用重水或普通水（轻水）通过堆中心裂变反应区时，就把这热能带出来，去推动透平（汽轮机），再推动发电机发电。

核反应涉及的是原子核的变化，从质量亏损来说，要比普通化学反应大几百万倍到一千万倍，因而裂变过程释放能量也就比化学反应过程的能量大好几百万倍。

一公斤铀235全部裂变时放出的原子核能就相当于2，500吨好煤燃烧时放出的热量。

例如，据目前设计的五百万千瓦超级核电站，在它的堆芯活动区只需要360公斤的铀235，而这仅仅是反应堆的一次投料，即达到临界体积所要求的数量。

一般一次投料可以烧好长好长时间，一年也只要补充若干铀的燃烧棒就可以。

即使全世界所有发电站都改成原子能发电，每昼夜也只是烧几千公斤铀235。

象上海这么大的城市，一天一夜烧几公斤铀235就足够了，但是目前烧的是煤或石油，那就不得不每天用巨轮或者许多列火车不停地运输才能满足需要。

由于核电站免去了一般电站的繁重运输任务，所以核电站可以建在交通不便、缺乏燃料的偏僻山区。

同时由于核电站裂变反应根本不象普通电站烧煤那样需要氧气，所以只要有充足的水源，即使空气稀薄、交通极为不便的青藏高原也可以建堆。

核电站是利用裂变得到能量，不象火力发电厂烧大量煤，造成黑烟滚滚污染空气，所以核电站比烧煤电站干净，核电
站常建在大江大河边上或者风景优美幽静的海滨。

此外，核电站还有一个很大的好处，就是可以产生新的裂变材料，即钚239，它是比铀235更好的核燃料，而且是制造高效力核武器的材料。

钚可以通过核电站中铀棒经链式裂变反应之后，从废铀棒中加以分离提取，一个功率为一百万千瓦的核电站，每年可以从废铀棒中提出好几公斤的钚239，除了可以制造原子弹用外，也可用于核电池等其他用途。

（二）几种主要的堆型介绍
1．热中子堆。

这是目前最常见的堆型。

它的原理是在堆的活性区，放入原子序数Ｚ比较小的物质，如水、重水以及主要含碳成分的石墨作为减速剂（或称慢化剂），使由裂变释放出来的能量很大的快速中子慢化，直到中子能量减少到和在普通物质中原子热运动那样小的能量。

这时中子的运动速度很慢，它与堆中核燃料铀235原子核相碰引起裂变的几率比较大。

大约铀核裂变后产生的快中子与普通水相碰18次就可以慢化到热能中子程度，普通水也称轻水，作慢化剂效率不如重水效率高，但轻水非常便宜，因而经常被采用。

重水它本身吸收中子的截面小（即直接吃掉中子的机会小），慢化效率又很高，但它的价格较贵。

在热中子堆中，一般使用的核燃料大都是含铀235仅2～4％的低浓缩铀，由于水（包括重水）不仅可以做慢化剂，还可以同时兼作载热剂，让水通过堆的活性区，不停循环，直接可以把裂变时释放的能量热能携带出来。

而水的载热效率很高，所以这样堆芯可以做得小。

堆的其他设备加压力壳等均可以相应做得小一些，大大减轻了工艺制造上的麻烦。

在堆芯中既充当减速剂作用，又担任循环载热剂作用的水，可以处于两种工作状态。

一种是让水处于高温沸腾状态，称高温沸水堆。

它只要一次回路把热能取出，热能利用率高，设备简化，但防护措施比较复杂。

另一种是采用二次回路，使经过堆芯的水处于一百几十个大气压、几百度高温但并不沸腾的情况下工作，这种堆回路设备复杂，但较安全可靠。

热中子堆还常用另一种堆型，即用石墨作慢化剂，用CO2作载热剂的石墨气冷堆。

它是把石墨加工成某种蜂窝状特定结构，让铀燃料做成棒状，分别置于石墨当中。

CO2气体通过石墨空隙或孔道载热。

它是一种非均匀反应堆。

2．快中子堆，也称快堆。

它是让裂变后产生的快中子不经任何慢化，直接与核燃料中铀235以及大量的铀238起链式裂变反应，这样就可以充分利用铀239这种核燃料。

这种堆体积可以做得很小，单位体积内功率密度高，可以用远比水热容量高的金属钠作载热剂。

由于快堆中铀238直接吸收大量快中子，可以变成铀239，此后铀239经过两次β衰变，可以变成钚239。

钚239是极好的核燃料，因此快堆的运行过程在消耗核燃料铀的同时，又会产生出新的核燃
料钚，这当然是极为可取的一种核能利用方案。

但快堆需要较纯的核燃料，而且控制问题复杂，制造工艺要求苛刻。

目前法国的“凤凰”堆就属这种堆型，在技术上居世界的前列。

3．其他堆型。

反应堆还有很多堆型，譬如：砾石床堆，它象一个煤球炉，把核燃料和一定数量的慢化剂混合，做成象煤球大小的陶瓷燃料小球，堆到一定体积，即堆到链式反应的临界状态，使裂变反应连续不断进行，释放出大量能量。

当链式反应过程中，中子的增殖系数减少到一定程度，经过充分反应，即铀235燃料小球消耗到一定程度，让它从堆的底部小洞漏下取出。

堆的上部再添加新的核燃料小球，使链式反应继续维持下去。

近年来，美国也有人研究熔盐式堆型。

把核燃料预先配制成含铀、锂、铍等氟化物的高温液体，与减速剂均匀混和。

核燃料不断在管道上起链式反应，液体核燃料也不断循环，利用二次回路把裂变反应释放的热能取出供发电。

这样设计可以免去核燃料棒的精密加工麻烦，而且经长期运行后，废燃料可以经另一回路直接流出来，加以后处理，提取核燃料在燃烧过程中再生的新核燃料棗钚等。

这种设计方案，看来很理想，但工艺问题非常复杂，困难很多，目前仅仅是试验阶段。

（三）高压轻水堆工作原理
核电站的堆型是各种各样，现在就较常见的高压轻水堆情况作进一步介绍。

图9-1 核电站原理
高压轻水堆是目前核电站建设技术比较成熟的一个堆型。

它利用普通水做慢化剂兼载热剂。

核燃料棒是利用稍稍加浓到 2～4％的低浓缩铀做成一根根铀棒，再把每二、三百根这样的铀棒，按一定的物理要求组成为一组组件。

这样几十或者一百多组的组件，组成结构极精密的反应堆中的活性区，在活性区下部通以二、三百个左右大气压的大流量普通水，高速地从组件中燃料棒间隙通过，带走裂变释放的热能。

为了确保在大功率高效率的条件下运行
安全，整个反应堆置于一个非常坚固的、特制的耐高压大钢筒里，另外在钢筒外还设有安全保护的钢筋混凝土和一系列耐高温高压的热力设备与电气设备。

核电站建设既包括极其精密的核燃料组件加工制造，也包括规模十分庞大的堆主体重好几百吨、耐高压的压力壳制造，以及许多超高压大流量大水泵的研制和种种耐高辐射、耐腐蚀、远距离安全监察监测遥控系统。

所以，核电站的建造反映了一个国家核工艺技术、精密机械制造、冶金锻造、电气设备制造等多方面综合的工业水平。

我们相信，在优越的社会主义制度条件下，有党的领导，我们一定会在不远的时间里看到这样的核电站为祖国大地送来光和热，让核技术和我们每个人的生活紧紧相连。

谈到这里，可能读者还有一个问题没解决，即核电站安全可靠吗，会不会爆炸？所以我们再说说核电站的安全问题。

首先是放射性辐射问题，这点完全可以放心。

真正起裂变链式反应的堆主体仅仅有一间小房间那样大小，它处于一层又一层的装置密闭包围之中，射线是跑不到外头来的。

正象柴火总是在灶膛里燃烧，你隔了几间房间不可能感到灶里的火对你的影响。

至于极其微量的一点废气排空，老早被大气稀释了，就象一个大水池，放进几粒盐再均匀拌和之后，如果再从这池里取一碗水喝，那无论如何也尝不出咸味道来的。

堆芯会不会失去控制，超过临界状态爆炸？这也是不可能的。

一系列多种措施可以确保在任何情况下运行安全。

而实际上国际核电站建造数量已超过二百座，运行时间长的已有二十余年历史，尚未发现有此类事故发生，所以核电站安全性是比较可靠的。