前几期讲了核,今天来讲一下核能是怎么在核电站转变为电能的。

  因为反应堆是核电站的心脏,所以我们先从反应堆谈起。反应堆主要有4个组成部分:

  燃料棒:最常见的反应堆以铀235为燃料,核燃料的形式是由铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷芯块。每个陶瓷芯块为直径1厘米、高1厘米的圆柱体。几百个芯块叠在一起装入直径1厘米、长约4米的细长锆合金材料套管内。这样的装置就是燃料棒。燃料棒中的反应属于重核裂变,其过程是——当中子轰击铀235的原子核时,引起裂变,铀核分裂为两个或两个以上中等质量的核(如分裂为钡和氪),同时释放2~3个中子。然后中子又去轰击另外的铀235原子核,引起新的裂变,这种连续不断的反应叫做链式反应。反应过程会产生大量的内能。

  慢化剂:由于核反应所产生的中子运动速度过快,不易被铀核俘获,所以要用适当的方法把这些中子的速度降下来,变成慢中子。通常的方法是使用慢化剂,让中子与慢化剂的原子核发生碰撞而使速度降低。慢化剂是既不吸收中子,也不与中子发生核反应的物质,可以是重水、石墨、二氧化碳或轻水(即纯度很高的普通水)。福岛核电站的反应堆就是用轻水作为慢化剂的。

  控制棒:核电站输出的能量多少需要根据电网的需求来调节,所以反应堆中链式反应的速度也要根据电网需求调节,调节反应速度的装置就是控制棒。控制棒由硼和镉等易于吸收中子的材料制成,核反应压力容器外有一套机械装置可以操纵控制棒。控制棒插入反应堆中的深浅决定反应的速度——插入越深,吸收中子越多,反应速度越慢,完全插入反应中心时,能够吸收大量中子,将阻止链式反应的进行。

  防护层:裂变反应会产生大量的高能射线,如β、γ射线。为了防止这些射线伤害人、动物,污染环境,必须在反应堆及其辅助设备周围设置防护层。通常选择钢、铅、普通混凝土和重混凝土等材料制作防护层。

  现在我们已经对反应堆有所了解,下面我们以两种具有代表性的反应堆——压水堆和沸水堆为例,分析核能是如何转化为电能的。

  压水堆:压水堆的能量传递系统由两个循环回路组成。一回路连接着堆芯和二回路中的蒸汽发生器,回路内压强保持在150个大气压左右。这个压强相对较大,压水堆由此得名。在此压强下可将冷却水加热至约343℃而不沸腾(压强越大,沸点越高)。冷却水在二回路蒸汽发生器的传热管中将压强约为70个大气压左右的二回路水加热至沸腾,形成的水蒸气推动汽轮机运转,把内能转化为机械能。汽轮机再带动发电机转子转动,把机械能最终转化为电能。显然,两个循环回路中的水既是能量传递的载体,又是反应堆的冷却剂,责任重大。

  沸水堆:沸水堆仅具有一个循环回路,在这里,来自汽轮机的水进入压力容器后,吸收能量,温度升高,在280℃左右沸腾。产生的汽水混合物经过堆芯上方的汽水分离器和蒸汽干燥器过滤掉液态水后,直接送到汽轮机,带动汽轮机运转,汽轮机再带动发电机发电。通过汽轮机的蒸汽经过冷凝器凝结为液态水后,回流至反应堆,完成一个循环。因沸水堆中的蒸汽直接通往汽轮机,故该系统被称为直接循环系统。

  由此可见,不管是压水堆还是沸水堆,其能量转化过程都是:核能→内能→机械能→电能。压水堆与沸水堆结构相比,各有短长。压水堆有两个循环系统,第二个循环系统与核燃料没有直接接触,降低了工作场所的放射性强度,给汽轮机等设备的维护带来方便;其缺点是结构复杂,对压力容器的力学强度要求高。沸水堆结构简单,降低了反应堆的工作压力和堆芯温度,提高了反应堆的安全性。但由于沸水堆的循环系统直接连接了堆芯和汽轮机,因此可能使汽轮机受到放射性污染,给设计和维修带来麻烦。我国正在运行的大亚湾、秦山和田湾核电站都属于压水堆,日本福岛核电站则属于沸水堆。

  核电与火电相比,有不少优势,如正常情况下没有有害气体排放,对环境没有污染。单位质量的核燃料和化石燃料相比,前者释放的能量远远多于后者,1克铀235全部裂变放出的能量与2.8吨标准煤相当。所以在运行当中,燃料的运输成本比火电厂低得多。但核电站技术要求高,不仅要求在常态下安全运行,而且要在极端条件下万无一失,因为一旦发生爆炸、泄漏,其灾害远远超过火电。

  让我们期待核电真正能够安全利用的时候吧!

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