核能發電

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核能發電(Nuclear Electric Power Generation)

　　核能發電是指利用反應堆中核裂變所釋放的熱能進行電力生產的能量轉換過程。

　　用核動力堆發電的核能是一種安全、清潔、經濟的能源。

　　1．安全性

　　安全性在核能發電的諸多要素中擺在首位。核電廠的安全性主要是指如何有效控制反應堆產生的放射性物質對人類生活環境造成的不利影響。核反應堆運行時會產生放射性物質。這些物質若大量釋放到外部環境中，會對周圍居民的健康和活動帶來不利影響。因此。與常規電廠不同的是，核電廠的安全是以輻射安全為主，防止放射性物質對人們造成過量的照射。

　　為此，在核電廠設計、製造、建造、運行和監督管理中，實施縱深防禦的戰略原則，提供了多層保護，在放射源與環境之間設置了多道屏障，對核電廠採取保守的設計、精心製造、建造和運行。各國在對核電廠管理上從設計、製造、建造、運行乃至退役的全過程有著完善和嚴格的核安全法規體制，有一套以安全許可證制度為核心的安全審核和監管制度。這些安全措施能有效地保障核電廠的安全，使核電廠達到為其制定的總安全目標，即“在核動力廠中建立並保持對放射性危害的有效防禦，以保護人員、社會和環境免受危害”。在所有運行狀態下，能保證核電廠周圍居民和廠內工作人員所受放射性輻照低於規定限值，保證有嚴重放射性後果的事故發生的概率極低。

　　2．清潔性

　　核能的清潔性主要表現在核電不向環境排放硫氧化物、氮氧化物和溫室氣體。與燃煤電廠相比，不產生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物，以及大量的灰塵、固體顆粒等。以2003年為例，若以全世界核發電量替代的燃煤發電量來計算，僅二氧化硫排放一項就相應減少了20多億t的排放量。因此，大規模發展核電，對於保護生態環境。減少溫室氣體的排放，促進社會的可持續發展，將起到重要的作用。

　　3．經濟性

　　發電成本是衡量核電廠最重要的經濟指標。它主要由投資、燃料和運行維修成本三部分組成。通常，核電廠的建造投資費用比常規火電廠要高。但是，核電的燃料成本卻低於各種火電廠，核電廠的運行費用相對較低，核電廠的發電成本在多數國家中已能夠與火電廠的發電成本相競爭。隨著負荷因數的提高和核電廠實際運行壽命的延長，核電成本將會進一步降低。

　　核電站採用的核反應堆主要有輕水堆、重水堆、石墨氣冷堆和快中子增殖反應堆等，從而形成四種類型的核電站。

　　1．輕水堆核電站

　　輕水堆屬於熱中子堆，它用輕水作為慢化劑和冷卻劑，是目前核電站使用最多的堆型。輕水堆又分為壓水堆和沸水堆。

　　壓水堆核電站的原理流程為：主泵將高壓冷卻劑送入反應堆，一般冷卻劑保持在12～16MPa。在高壓情況下，冷卻劑的溫度即使300℃也不會汽化。冷卻劑把核燃料放出的熱能帶出反應堆併進入蒸汽發生器，通過數以千計的傳熱管把熱量傳給管外的二迴路，使水沸騰產生蒸汽。冷卻劑流經蒸汽發生器放熱後，再由主泵送入反應堆，這樣來回迴圈，不斷地把反應堆中的熱量帶出並傳給二迴路以產生蒸汽，從蒸汽發生器出來的高溫高壓蒸汽，推動汽輪發電機組發電，做過功的乏汽在冷凝器中凝結成水，再由給水泵送回蒸汽發生器，形成二迴路迴圈系統。沸水堆核電站的工作流程是：冷卻劑(水)從堆芯下部流進，在沿堆芯上升的過程中，從燃料棒那裡得到熱量變成蒸汽和水的混合物，再經過汽水分離器和蒸汽乾燥器，將蒸汽分離出來併進行乾燥後直接送入汽輪發電機組發電，做功後的乏汽被凝結成水再送回反應堆形成迴圈。

　　2．重水堆核電站

　　重水堆按其結構型式可分為壓力殼式和壓力管式兩種。壓力殼式的冷卻劑只用重水。它的內部結構材料比壓力管式少，但中子經濟性好，生成新燃料鈈-239的凈產量比較高。

　　3．石墨氣冷堆核電站

　　所謂石墨氣冷堆就是以天然鈾作燃料，以石墨作為慢化劑，以氣體(二氧化碳或氦氣)作為冷卻劑的反應堆。

　　4．快中子增殖反應堆

　　快中子增殖反應堆是用鈾、鈈混合氧化物作燃料，用液態鈉作冷卻劑的快中子增殖堆(簡稱快堆)。它的工作過程是：堆內產生的熱量由液態鈉載出，送給中問熱交換器，在中間熱交換器中，一迴路鈉把熱量傳給中問迴路鈉，中間迴路鈉進入蒸汽發生器，將蒸汽發生器中的水變成蒸汽，蒸汽驅動汽輪發電機組，快堆可以增殖核燃料，也就是說會越燒越多，快中子增殖堆理論上可利用全部鈾資源。實際上由於各種損失，估計可利用鈾資源60％以上，它被認為是最有前途的發電用反應堆。

　　1．核裂變過程

　　核能的利用，與原子裂變過程有關，這裡以U²³⁵為例說明其過程。當中子轟擊U²³⁵的原子核後，原子核分裂成為兩個裂變碎塊，並釋放出兩個或三個中子，平均為2．43個。如每次裂變後放出的2～3個中子，除泄漏及被別的元素吸收外，至少有一個中子可擊中另一個U²³⁵原子核，並使之裂變，則這種裂變過程就可一代一代地維持下去，這種過程就稱為鏈式反應。

　　根據愛因斯坦能量方程式，裂變過程釋放的能量為：E = mc²

　　式中，m為質量；c為光速。

　　因此，1 kg的U²³⁵理論上可產生2 667 t標準煤的熱量。

　　現在的核電站使用U²³⁵作為核燃料。自然中的鈾稱為天然鈾，它主要由U²³⁵和U²³⁸組成。U²³⁵、U²³⁸稱為鈾的同位素。天然鈾中U²³⁵占0．714％，易裂變；U²³⁸占99．3％，不易裂變。天然鈾在多數型式的反應堆中不能維持連鎖反應。因為中子衝擊U²³⁸的原子核後通常並不產生裂變，卻很容易被它俘獲，造成中子的損失。因而天然鈾作為核燃料時，必須經過加工以增加U²³⁵的比例。富集的燃料含有3％～20％的U²³⁵。

　　2．核能的利用

　　對U²³⁵在核裂變過程中產生的熱能，用冷卻介質加以吸收，將此熱能用來產生蒸汽，然後利用蒸汽推動汽輪機作功，再帶動發電機發電，就可完成核能到電能的轉換。

　　利用核能的關鍵是實現可控核裂變。能夠實現大規模可控核裂變鏈式反應的裝置稱為核反應堆，簡稱為反應堆。它是向人類提供核能的關鍵設備。

　　在水電廠，機組輸出功率通過調節水輪機進水量進行調節；在火電廠，通過調整輸入爐膛的煤粉和進風量調整鍋爐的輸入熱量。那麼在核電廠，輸出能量如何控制呢?

　　U²³⁵原子核的裂變，是通過中子轟擊造成的。沒有中子的轟擊，就不可能有大量原子核的裂變。因此，可以通過調節中子的數量來達到調節原子核裂變反應的規模，即達到調節反應堆輸出功率的目的。

　　調節中子的數量，是通過移動控制棒來實現的。控制棒由鎘或碳化硼等易吸收中子的材料製成，一般垂直放置，可上下運動。如果將控制棒插入反應堆的核燃料內，則吸收的中子多，裂變反應的規模就越來越小，反應堆功率下降；如果將控制棒抽出反應堆，則吸收的中子少，裂變反應的規模就越來越大，反應堆功率上升。當反應堆的功率上升到所要求的程度時，再適當插入控制棒，使吸收中子的數目適中，以便每次裂變後還剩下一個中子，可以擊中另一個U²³⁵原子核。這樣一來，裂變反應的規模就會一代一代地維持下去，從而使反應堆保持穩定的功率。總而言之，控制棒是調節反應堆平衡狀態的砝碼。

　　為防止反應堆功率上升時控制棒插不進去，導致反應堆失控，人們想出了另一種萬無一失 的辦法。這就是在反應堆上部放置含硼液體。這種含硼液體可依靠高壓氮氣瓶的壓力註入反 應堆。由於硼大量吸收中子，反應堆的功率就會急劇下降。

　　現代的核電站，在以控制棒上下運動的辦法來調節反應堆功率的同時，都採用在頂部放置 含硼液體的辦法，以確保在任何情況下，都能使反應堆安全停堆。

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