压水堆核电站反应堆核能与反应堆基础知识

压水堆核电站反应堆核能与反应堆基础知识1.1核能的特点………………核反应堆与核电厂动力系统……………1.2.1核电厂动力系统简介………………1.2.2反应堆及其分类……………………随着人类社会的不断进步，世界能量消耗的增长是很快的。一方面随着生活水平的提高，人均对能量的消耗也越来越高；另一方面，世界总人口还在不断地增加。更主要的是在工业、农业、交通运输方面按每人平均所消耗的能量增加了。世界上有些国家，有些地区因能源不足而延缓了经济的发展的例子是不少的。核裂变现象的发现表明，核能时代开始了。核能以它的本身的特点越来越得到人类的重视。核能，最初由于人们对此物理现象的不确切了解，称为原子能。实际上它是由于原子核内部发生裂变或聚变而产生的巨大的能量。目前在反应堆中，用不带电的粒子(中子)去轰击靶核235U使之裂变从而释放出大量的核能。但核能的产生并非容易，因为原子核很小，又带正电。击开它并非易事。早期人们一直是设想用加速的带电粒子作为轰击原子核的炮弹。为了使原子核分裂，曾设计了大型静电加速器和回旋加速器，通过这些设备甚至可以把带电粒子加速到近千万电子伏，但仍然很难击开原子核，成千上万发的炮弹很可能只有一发炮弹能击中原子核。如同爱因斯坦所说，“我们好比是一些憋脚的射手，在黑暗的郊外打鸟，那里的鸟又非常少”。1932年查德威克(Chadwick)等人发现了中子。中子不带电荷，和原子核之间没有库仑力的相互作用，容易接近原子核而引起核反应。中子的发现开创了核物理学的新纪元，也为重核裂变提供了强有力的“炮弹”。1938年哈恩(O.Hahn)和斯特拉斯曼(F.Strassmann)用放射化学的方法发现和证实了235U在中子的轰击下发生裂变的现象。但当时把放出的新的中子给忽略了。后来，许多科学家利用各种方法（如电离室，云雾室等）来证明中子轰击铀核后，铀核分裂成两个质量近似相等的碎片，同时放出两个至三个的次级中子，还释放出大量能量和射线。1946年我国科学家钱三强，何泽慧夫妇发现了铀核在中子的轰击下有时会分裂成三块或四块，但这种机会要小得多，这种分裂现象一般称为三分裂或四分裂。1942年费米(Fermi)在美国芝加哥大学建成世界上第一座天然铀石墨热中子反应堆CP-1，用了40吨天然铀（其中6吨金属铀），385吨石墨，2000根铀棒组成的10.510.542cm的栅格。1.1核能的特点核电厂中产生的能量是由于在反应堆装置中，靶核235U在中子的轰击下，产生裂变反应同时释放出大量的能量。这种由于原子核内部结构组成的变化而释放出来的能量称为核能。那么核能有哪些特点呢？

首先，核能的能值高，一公斤铀全部裂变所释放的裂变能，大约和2700吨煤或2000吨石油相当。煤和石油的发电是利用物质的化学反应。而核能的释放是由于原子核的内能变化而产生的能量。特别是在煤资源、水力资源缺乏的地区，如果用核能来发电，将是很适宜的方案。到1994年年底，法国的核电已占法国总电力的75.29%。其次，核能主要利用铀、钍同位素。而这些同位素的矿藏量以及海水中氘所蕴含的能量储藏量丰富广泛。目前主要用于能源的是化石燃料，也就是煤、天然气和石油，以及水力。但露天采矿和烧煤对地表的破坏和对环境的污染是很严重的。更主要的是煤和石油还能为生产化学制品(包括药品、染料、纤维、橡胶和塑料等)提供基本的原料，从长远看，将化石燃料用于原料方面比用作能源可能更有价值。至于水力资源并不是任何地区都有的，往往是缺少水力资源的大城市、沿海城市却需要更多的电力。再次，随着核技术的不断完善，核能已被公认为一种价格上能和其他能源相竞争的发电用能源，见表1.1-1。表1.1-1核电站与火电站发电成本比较美国法国日本烧油电站8.1美分/度电28生丁/度电13.06日元/度电烧煤电站4.8美分/度电10.45日元/度电核电站4.3美分/度电21生丁/度电8.9日元/度电最后，核能对大自然的环境污染小。核电厂不放出二氧化碳、二氧化硫和氮的氧化物，不会造成温室效应和酸雨，从而保护了人类赖以生存的生态环境。当前作为核能利用的主要装置是核电厂。由于安全措施严格，运行经验丰富，因而发生事故的几率很小。但是为了做到安全可靠，万无一失，并防止事故引起放射性扩散，核电站中设置了三道放射性屏障和应急事故处理系统。图1.1-1为压水堆核电站放射性三道屏障示意图。第一道屏障是核燃料元件棒包壳，它能承受约200大气压的压力。放射性裂变产物被限制在包壳管内；第二道屏障是反应堆压力容器和一回路耐压管道。即使燃料元件包壳万一破损，其放射性物质也只能外漏到一回路中；第三道屏障是安全壳，它将反应堆及一回路系统的主要设备密封在安全壳内。因而，即使第二道屏障万一破损，其放射性物质也只能密封在安全壳内。更由于它能值高，烧过的燃料还能进行后处理再做成新的燃料。特别是快中子增殖反应堆的出现，它能对燃料进行增殖，能把不能裂变的238U转变成核燃料239Pu，大大地增加了对铀资源的利用。现代人类所能利用的能源，不外乎是水力、化石燃料、核能以及太阳能、风力、潮汐能、地热能等。水力能源虽有一定的经济价值，但往往受到地理条件的限制，建造费用庞大，电力输送费用高。至于太阳能、潮汐能、风力及地热发电，目前虽然经过研究试验已开始应用，但要大规模地利用及开发却受到很多条件的限制。因此，核能是当前比较有现实意义的能源。1.2核反应堆与核电厂动力系统核反应堆是利用易裂变物质，使之发生可控的自持裂变链式反应的一种装置。它是核电厂产生能量的主要设备。1.2.1核电厂动力系统简介图1.2-1给出了核反应堆装置的示意图。冷却剂经堆芯带走热量经蒸发器，通过主泵再流入堆芯。这个闭合回路称一次回路，简称一回路。对于压水堆，一回路也是高温高压回路，由于冷却水是流经堆芯的，因而它具有放射性。从蒸发器出来的汽通过汽轮机带动发电机发电，从汽轮机出来的汽水混合物通过冷凝器流入蒸发器，这一回路称二次回路，简称二回路。1.2.2反应堆及其分类当前世界上有各种各样的反应堆，我们可以将他们分一下类。1.按核反应堆的用途分类生产堆生产易裂变材料，同位素或用于工业规模辐照的反应堆。它们的主要反应式如238U＋n→239Pu6Li＋n→3H+4He232Th＋n→233Th→233U239Pu是一种很好的易裂变物质，239Pu裂变时能放出大量的裂变能。而238U本身对热中子是不裂变的，在自然界的铀矿中，它的丰度为99.2%。大量的232Th存在于自然界，它本身不能裂变。但它可以吸收中子形成233U，而233U是一种很好的易裂变物质。利用上述过程，可使大量的232Th矿资源得到利用。而6Li放在堆内受中子辐照而产生的氚(3H)则是氢弹的重要物质。实验堆主要包括零功率装置，实验研究堆和原型堆等。主要用于实验研究，为设计和研制反应堆或新型堆取得必要的反应堆物理或堆工程数据。动力堆用作动力和直接发电的反应堆。它分为移动式(如核潜艇)和固定式(发电)。动力堆用作发电其优越性越来越被人们接受。田湾核电站中的反应堆就属于这种范畴。2.按冷却剂类型分类压水堆轻水作冷却剂、慢化剂。燃料一般采用低富集的二氧化铀。轻水慢化，水的导热性能好。该堆型结构紧凑，功率密度高。平均燃耗深，负温度系数，比较安全可靠。高压(14-16兆帕)使得水温在300℃左右而不沸腾。沸水堆与压水堆一样，冷却剂为水，但允许沸腾，压力低，省去一个回路(一回路与二回路合二为一)。水沸腾后将使堆芯内中子的慢化性能变差，因而必须增大堆芯体积，燃料装载量要比同样功率的压水堆大50%左右。重水堆冷却剂、慢化剂都为重水。由于重水的慢化性能好，热中子吸收截面小，故燃料可用天燃铀。重水的泄漏是一个要认真对待的技术关键。气冷堆一般用CO2作冷却剂，石墨作慢化剂。燃耗深，转换比高，体积大。钠冷堆没有慢化剂，金属钠作冷却剂。燃料要求高富集铀或铀钚混合燃料，压力低，冷却剂的进出口温差大，功率密度大。3.按引起裂变的中子能量来分类热中子反应堆引起燃料核裂变的中子能量在0.0253电子伏左右。大多数压水堆即属于这种类型。快中子反应堆引起燃料核裂变的中子能量在0.1兆电子伏附近。例如钠冷堆。中能中子反应堆引起裂变的中子能量介于热中子堆和快中子堆之间。综上所述，田湾核电厂中的反应堆装置中靶核裂变时释放出来的能量用来发电，因而它是属于动力堆范畴。由于它用轻水作冷却剂、慢化剂。采用低富集的