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