核电站工作原理揭秘

核电站工作原理揭秘
沸水反应堆工作示意图核反应堆控制棒反应堆容器汽轮机
发电机冷凝器
压水反应堆工作示意图。

压水反应堆最大特点是由两个循环回路组成，只有热交换，没有水交换核反应堆增压装置控制棒反应堆容器蒸汽发生器
汽轮机发电机冷凝器
福岛3号机组爆炸后景象
羊城晚报记者朱绍杰
核电站提供了世界上大约17%的电能，一些国家或地区对核电的依赖，要比其他发电方式更高。

1954年在库尔恰托夫的主持下，苏联建成了世界上第一座核电站———奥布灵斯克核电站。

根据国际原子能机构提供的数据，全世界有超过400座的核电站，其中，美国超过100座。

然而，日本地震所引发的核电站事件，把全世界推向了核能恐慌之中。

在瑞士，3座已经经过批准的核电站建设项目被立即“下马”；德国总理宣称计划放弃核能；就连中国，也表示将暂时不再审批新的核电站。

2011年，核电站已走过57个年头，它一直没有走出我们的视线，却一直蒙着神秘的面纱……
在法国，大约75%的电是由核电站生产的。

在美国，核电站提供了大约15%的电能，虽然各州利用核电的情况并不统一。

核能发电有一个重要的优点———非常清洁。

从环保角度来看，核电站相比火电站，简直就是做到了极致；核燃料能量密度比化石燃料高上几百万倍，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。

而火电站不仅向大气释放的放射性物质要比核电站多，而且，它还向大气释放出大量的碳、硫和其他元素。

1“铀”发裂变
如果除去核反应堆，核电站和火电站除了生成蒸汽的热源不同外，差异很少。

而建造一个核反应堆需要一种特别的铀。

铀是地球上一种相当普通的元素，在地球形成时就存在于这个行星中了。

而最有价值的，是铀-235。

虽然，铀-235占据了所有铀存量中的0.7%，但它有一个奇特的特性，那就是：它是少数能够诱发裂变的物质之一。

它既可以用于核能发电，也可以用于制造核弹。

除了铀-235之外，核电站的另一种燃料就是：钚-239。

钚-239可以使用中子轰击铀-238而得到———这是核反应堆中时时刻刻发生着的事。

铀-235原子捕捉一个正在穿过的中子的概率非常高。

在正常工作的核反应堆中（称为临界状态），每次裂变释放出的中子都会导致另一次裂变的发生。

而，铀-235原子捕捉中子并发生分解的过程非常迅速，单位以皮秒计算（1皮秒=一万亿分之一秒）。

当单个原子分解时，会有巨大的能量通过热和伽马辐射的形式释放出来。

所有核电站反应堆的基本原理都是利用核裂变反应，对水进行加热并将其转化为蒸汽。

再用蒸汽推动蒸汽轮机，而蒸汽轮机则带动发电机来发电。

2密闭结构里的反应
通常，铀被制作成直径相当于一枚硬币大小、长度为2.5厘米左右的燃料元件。

燃料元件被安装到长燃料棒中，燃料棒又被组装成燃料组件。

燃料组件通常被浸泡在压力容器中，容器中的水起冷却作用。

为使反应堆工作，浸泡在水中的燃料组件必须处于稍微超临界的状态。

这意味着，如果没有其他设备，铀最终将会过热并熔化。

为防止这种情况出现，由吸收中子的材料制成的控制棒通过升降装置插入到燃料组件中，操作员通过升降控制棒来控制核反应的程度。

当操作员希望铀堆芯产生更多的热量时，可将控制棒从铀燃料组件中升起。

要使热量减少，则降低控制棒以插入到铀燃料组件中。

在发生事故或者更换燃料时，控制棒还能被完全插入铀燃料组件中以关闭核反应堆。

铀燃料组件是一个能够产生极高能量的热源，它加热水并将其转化为蒸汽。

蒸汽推动蒸汽轮机，而汽轮机则带动发电机来发电。

在某些反应堆中，反应堆产生的蒸汽通过二级中介热交换装置，将另一个回路的水加热为蒸汽来转动汽轮机。

这种设计的好处是：放射性的水或者水蒸气不会接触到汽轮机。

同样，在某些反应堆中，与反应堆堆芯接触的冷却流体是气体（如二氧化碳）或者液态金属（如钠或钾），这种类型的反应堆允许堆芯在更高的温度下工作。

反应堆的压力容器通常被放置在一个用作辐射防护的混凝土衬里内。

这个衬里被安装在一个更大的钢制密闭容器中，这个容器中有反应堆堆芯以及供工作人员维护反应堆的硬件设施（吊车等），容器的作用是防止放射性气体或液体泄漏。

最后，这个密闭容器被外部的混凝土建筑保护，它的强度能够承受喷气式飞机的撞击。

这些二级密闭结构对防范如在三里岛事故中那样的辐射或放射性蒸汽的泄漏是必要的。

前苏联的核电站中由于没有二级密闭结构，最终导致了切尔诺贝利核电站事故。

3福岛核泄真解
“它已经超过了它的设计寿命。

”
这是毕业于东京大学的蔡士进博士去年参观福岛核电站的感受。

福岛核电站所使用的是“沸水反应堆”，由美国通用电气公司在上世纪70年代设计。

汽轮机系统的给水进入反应堆压力容器后，在反应堆内受热汽化。

所产生的蒸汽通往汽轮发电机，直接推动汽轮发电机，做功发电。

蒸汽冷凝后经净化、加热后，再由水泵送入反应堆压力容器，形成一次闭合循环。

相比现在常见的反应堆，这样的设计省去了蒸汽发生器，降低了造价、能量损耗和占地面积。

但是，由于蒸汽只经过一套循环回路，必将反应堆中的热传递出去，所以带有放射性的蒸汽，贯穿于整个运行过程中。

因此，运行维护过程中要考虑防辐射的问题，也提高了运行的费用。

海啸后，即便反应堆已经停止“链式反应”，但裂变过程中产生的一些放射性副产品仍在进行衰变，并产生余热。

余热在反应堆关闭后会逐渐消失，但仍需要冷却系统来消除余热，防止燃料棒过热造成屏障失效、核物质泄漏。

“这是它的设计上的一个问题，”大亚湾核电运营管理有限责任公司辐射防护高级工程师姚一正分析说：“全厂断电的时候，它的冷却系统会排出部分的热衰变产物。

”
由于给冷却供电的柴油机被破坏，余热温度降不下来，为了保住压力容器，防止压力容器超压爆炸，必须进行卸压。

就在打开压力阀释放蒸汽时，排出了部分铯、碘等热衰变产生的同位素，于是出现了这次泄漏事件。

至于接二连三发生的爆炸现象，是因为燃料棒露出水面，棒壳发生氧化反应，产生了氢气。

由于氢气的质量比空气低，就会在聚集在厂房上部，当它达到4%的浓度时，就会引发爆炸。

4大亚湾采用“二代加”技术
和福岛核电站所使用的“沸水反应堆”不一样的是，全世界的核电站中多数采用“压水反应堆”。

与前者相比，后者设计更安全。

而在中国大陆的核能发电站的轻反应堆中，只有“压水反应堆”。

据姚一正介绍，大亚湾核电站的“压水反应堆”采用的是“二代加”技术，引自法国，多次在原有基础上做了改进，“安全性比较大”。

“压水反应堆”最大的特点是其由两个循环回路组成。

“两个回路，只有热交换，没有水交换”，也就说让放射性物质全部在反应堆里面。

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，在此压强下可将水加热至343℃而不沸腾。

一回路水在蒸汽发生器中，将压强为70个大气压的二回路水加热至沸腾，形成的水蒸气，通过二回路送至汽轮机，推动涡轮发动机运转。

释放了热能的一回路水回流至堆芯，完成一回路循环。

从汽轮机流出的二回路水经冷凝器凝结为液态水后，回流至蒸汽发生器，完成二回路循环。

除了反应堆回路设计上的不同，大亚湾核电站与福岛核电站在安全性上也有区别———如，采用了双层安全壳，回路系统对空排气散热，额外备用柴油机，保证冷却系统供电；使用氢气消除系统，防止氢气聚集爆炸等等。

5切尔诺贝利的缺陷
1986年4月，前苏联乌克兰境内的切尔诺贝利核电站4号机发生爆炸，酿成迄今为止人类历史上唯一一起最高级核安全事故。

周边地区共有约3万多平方公里的土地遭受了严重污染。

确诊为不同程度急性放射病者134人，有28人在数周内死亡，另有2人死于化学爆炸和烧伤，有14人在10年内死亡。

到2006年，官方的统计结果是，从事发到目前共有4000多人死亡。

切尔诺贝利核电站本身有很大设计缺陷。

它采用前苏联独有的一种反应堆技术，“压力管式石墨慢化沸水堆”。

使用石墨作慢化剂，轻水作冷却剂，在压力管内沸腾。

系统只有一个回路，没有安全壳。

一旦失水，堆芯内的石墨在高温下就容易燃烧。

在切尔诺贝利事件中，工作人员操作违规，引起了反应堆的爆炸。

同时，由于没有安全壳设计，大火引起的高温导致放射性物质直接进入1200米的高空，向四周扩散核污染物，最终造成惨剧。

6日本核灾
启示录
日本核灾爆发，唤醒了各国已蒙尘上世纪的核灾记忆。

核灾，不是一般的灾害。

地震和海啸过后，民众或可回到家园，进行生活和经济的重建之路。

核灾却是恐怖的噩梦。

日本政府目前已撤离核电厂半径20公里内的近20万住民，因为这20公里边的城镇测出辐射量超出平常值的6600倍。

而距离福岛240公里的东京，一度测出辐射量超出平常值21倍。

欧盟执委会主管能源事务委员厄廷格形容，日本这场大灾难犹如“启示录”。

这则启示录并非难测的天灾，更非神秘的末日预言，而是要正视核电厂设计耐震系数不足的问题；沸水式反应炉炉心隔板设计不良，可能发生控制棒无法正常进入的问题；配管裂缝可能导致的冷却水外泄问题等等。

日本核电的管理神话，也在这场核灾中破灭。

核能安全的高风险，无法以科学管理和理性行政来管控，核电废弃物目前除了储存，没有任何解决方案。

这一代人难道要把核能废弃物问题留给下一代子孙？
日本福岛电厂核灾重新唤起了全球社会对核电站选址、核电产业的质疑和反思。

毕竟，核电灾难离我们都不远，就在“轻忽安全”的旁边。