核能发电

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核能发电(Nuclear Electric Power Generation)

　　核能发电是指利用反应堆中核裂变所释放的热能进行电力生产的能量转换过程。

　　用核动力堆发电的核能是一种安全、清洁、经济的能源。

　　1．安全性

　　安全性在核能发电的诸多要素中摆在首位。核电厂的安全性主要是指如何有效控制反应堆产生的放射性物质对人类生活环境造成的不利影响。核反应堆运行时会产生放射性物质。这些物质若大量释放到外部环境中，会对周围居民的健康和活动带来不利影响。因此。与常规电厂不同的是，核电厂的安全是以辐射安全为主，防止放射性物质对人们造成过量的照射。

　　为此，在核电厂设计、制造、建造、运行和监督管理中，实施纵深防御的战略原则，提供了多层保护，在放射源与环境之间设置了多道屏障，对核电厂采取保守的设计、精心制造、建造和运行。各国在对核电厂管理上从设计、制造、建造、运行乃至退役的全过程有着完善和严格的核安全法规体制，有一套以安全许可证制度为核心的安全审核和监管制度。这些安全措施能有效地保障核电厂的安全，使核电厂达到为其制定的总安全目标，即“在核动力厂中建立并保持对放射性危害的有效防御，以保护人员、社会和环境免受危害”。在所有运行状态下，能保证核电厂周围居民和厂内工作人员所受放射性辐照低于规定限值，保证有严重放射性后果的事故发生的概率极低。

　　2．清洁性

　　核能的清洁性主要表现在核电不向环境排放硫氧化物、氮氧化物和温室气体。与燃煤电厂相比，不产生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物，以及大量的灰尘、固体颗粒等。以2003年为例，若以全世界核发电量替代的燃煤发电量来计算，仅二氧化硫排放一项就相应减少了20多亿t的排放量。因此，大规模发展核电，对于保护生态环境。减少温室气体的排放，促进社会的可持续发展，将起到重要的作用。

　　3．经济性

　　发电成本是衡量核电厂最重要的经济指标。它主要由投资、燃料和运行维修成本三部分组成。通常，核电厂的建造投资费用比常规火电厂要高。但是，核电的燃料成本却低于各种火电厂，核电厂的运行费用相对较低，核电厂的发电成本在多数国家中已能够与火电厂的发电成本相竞争。随着负荷因子的提高和核电厂实际运行寿命的延长，核电成本将会进一步降低。

　　核电站采用的核反应堆主要有轻水堆、重水堆、石墨气冷堆和快中子增殖反应堆等，从而形成四种类型的核电站。

　　1．轻水堆核电站

　　轻水堆属于热中子堆，它用轻水作为慢化剂和冷却剂，是目前核电站使用最多的堆型。轻水堆又分为压水堆和沸水堆。

　　压水堆核电站的原理流程为：主泵将高压冷却剂送入反应堆，一般冷却剂保持在12～16MPa。在高压情况下，冷却剂的温度即使300℃也不会汽化。冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆并进入蒸汽发生器，通过数以千计的传热管把热量传给管外的二回路，使水沸腾产生蒸汽。冷却剂流经蒸汽发生器放热后，再由主泵送入反应堆，这样来回循环，不断地把反应堆中的热量带出并传给二回路以产生蒸汽，从蒸汽发生器出来的高温高压蒸汽，推动汽轮发电机组发电，做过功的乏汽在冷凝器中凝结成水，再由给水泵送回蒸汽发生器，形成二回路循环系统。沸水堆核电站的工作流程是：冷却剂(水)从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒那里得到热量变成蒸汽和水的混合物，再经过汽水分离器和蒸汽干燥器，将蒸汽分离出来并进行干燥后直接送入汽轮发电机组发电，做功后的乏汽被凝结成水再送回反应堆形成循环。

　　2．重水堆核电站

　　重水堆按其结构型式可分为压力壳式和压力管式两种。压力壳式的冷却剂只用重水。它的内部结构材料比压力管式少，但中子经济性好，生成新燃料钚-239的净产量比较高。

　　3．石墨气冷堆核电站

　　所谓石墨气冷堆就是以天然铀作燃料，以石墨作为慢化剂，以气体(二氧化碳或氦气)作为冷却剂的反应堆。

　　4．快中子增殖反应堆

　　快中子增殖反应堆是用铀、钚混合氧化物作燃料，用液态钠作冷却剂的快中子增殖堆(简称快堆)。它的工作过程是：堆内产生的热量由液态钠载出，送给中问热交换器，在中间热交换器中，一回路钠把热量传给中问回路钠，中间回路钠进入蒸汽发生器，将蒸汽发生器中的水变成蒸汽，蒸汽驱动汽轮发电机组，快堆可以增殖核燃料，也就是说会越烧越多，快中子增殖堆理论上可利用全部铀资源。实际上由于各种损失，估计可利用铀资源60％以上，它被认为是最有前途的发电用反应堆。

　　1．核裂变过程

　　核能的利用，与原子裂变过程有关，这里以U²³⁵为例说明其过程。当中子轰击U²³⁵的原子核后，原子核分裂成为两个裂变碎块，并释放出两个或三个中子，平均为2．43个。如每次裂变后放出的2～3个中子，除泄漏及被别的元素吸收外，至少有一个中子可击中另一个U²³⁵原子核，并使之裂变，则这种裂变过程就可一代一代地维持下去，这种过程就称为链式反应。

　　根据爱因斯坦能量方程式，裂变过程释放的能量为：E = mc²

　　式中，m为质量；c为光速。

　　因此，1 kg的U²³⁵理论上可产生2 667 t标准煤的热量。

　　现在的核电站使用U²³⁵作为核燃料。自然中的铀称为天然铀，它主要由U²³⁵和U²³⁸组成。U²³⁵、U²³⁸称为铀的同位素。天然铀中U²³⁵占0．714％，易裂变；U²³⁸占99．3％，不易裂变。天然铀在多数型式的反应堆中不能维持连锁反应。因为中子冲击U²³⁸的原子核后通常并不产生裂变，却很容易被它俘获，造成中子的损失。因而天然铀作为核燃料时，必须经过加工以增加U²³⁵的比例。富集的燃料含有3％～20％的U²³⁵。

　　2．核能的利用

　　对U²³⁵在核裂变过程中产生的热能，用冷却介质加以吸收，将此热能用来产生蒸汽，然后利用蒸汽推动汽轮机作功，再带动发电机发电，就可完成核能到电能的转换。

　　利用核能的关键是实现可控核裂变。能够实现大规模可控核裂变链式反应的装置称为核反应堆，简称为反应堆。它是向人类提供核能的关键设备。

　　在水电厂，机组输出功率通过调节水轮机进水量进行调节；在火电厂，通过调整输入炉膛的煤粉和进风量调整锅炉的输入热量。那么在核电厂，输出能量如何控制呢?

　　U²³⁵原子核的裂变，是通过中子轰击造成的。没有中子的轰击，就不可能有大量原子核的裂变。因此，可以通过调节中子的数量来达到调节原子核裂变反应的规模，即达到调节反应堆输出功率的目的。

　　调节中子的数量，是通过移动控制棒来实现的。控制棒由镉或碳化硼等易吸收中子的材料制成，一般垂直放置，可上下运动。如果将控制棒插入反应堆的核燃料内，则吸收的中子多，裂变反应的规模就越来越小，反应堆功率下降；如果将控制棒抽出反应堆，则吸收的中子少，裂变反应的规模就越来越大，反应堆功率上升。当反应堆的功率上升到所要求的程度时，再适当插入控制棒，使吸收中子的数目适中，以便每次裂变后还剩下一个中子，可以击中另一个U²³⁵原子核。这样一来，裂变反应的规模就会一代一代地维持下去，从而使反应堆保持稳定的功率。总而言之，控制棒是调节反应堆平衡状态的砝码。

　　为防止反应堆功率上升时控制棒插不进去，导致反应堆失控，人们想出了另一种万无一失 的办法。这就是在反应堆上部放置含硼液体。这种含硼液体可依靠高压氮气瓶的压力注入反 应堆。由于硼大量吸收中子，反应堆的功率就会急剧下降。

　　现代的核电站，在以控制棒上下运动的办法来调节反应堆功率的同时，都采用在顶部放置 含硼液体的办法，以确保在任何情况下，都能使反应堆安全停堆。

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