在核能利用上,人們不希望鈾核像原子彈一樣一下子都裂變掉,而是希望要有控制地讓一定數(shù)量的鈾核進(jìn)行裂變,使巨大的原子核能平靜而緩慢地釋放出來,這就需要設(shè)計(jì)一種特殊的可受控制的反應(yīng)裝置-原子核反應(yīng)堆。反應(yīng)堆的核心部分是堆芯。堆芯內(nèi)裝有鈉25或懷20等核燃料,用中子--“點(diǎn)火”,原子核裂變的“鏈鎖反應(yīng)”就開始了,即核燃料就“燃燒”起來。鈾235裂變產(chǎn)生的是速度很高的快中子。這些快中子很容易被天然鈾中含量很高的鈾238俘獲而不發(fā)生裂變,從而使鈾235原子核間的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)停止。
為了降低中子的速度,人們?cè)阝櫚舻闹車b入了石墨或重水等減速劑。這樣一來,鈾235裂變產(chǎn)生的快中子進(jìn)入石墨后,就與石墨的原子核發(fā)生相互碰撞,結(jié)果,使其速度減慢,能量減小,變成了速度較慢的熱中子。鈾238不吸收這種熱中子,從而,保證了鈾235的裂變反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。如果中子太多,又會(huì)使鈾235得裂變反應(yīng)進(jìn)行得太激烈。這樣隨核能的大量釋放,反應(yīng)堆內(nèi)部溫度的不斷升高,有可能使反應(yīng)堆遭到破壞。那么,該如何控制核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行的速度呢?其實(shí)很簡單,只要在反應(yīng)堆里安裝一種棒狀的控制元件,以控制新產(chǎn)生的中子數(shù)量就行了?？刂瓢粢话阌面k鋼制成,這些材料特別喜歡“吞吃”中子。
當(dāng)反應(yīng)過快時(shí),將控制棒插進(jìn)反應(yīng)堆深一點(diǎn),讓它大量“吞吃”中子,中子數(shù)目立刻減少,反應(yīng)就慢下來;反之,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)加快。從而使反應(yīng)堆按照人們的需要釋放能量。反應(yīng)堆啟動(dòng)后,核裂變釋放的核能會(huì)使反應(yīng)堆的溫度迅速上升。人們采用循環(huán)運(yùn)行的冷卻劑,把能量從反應(yīng)堆里源源不斷地輸送出來,通過熱交換器把能量傳送給水,大量的水受熱變成高溫高壓的蒸汽,蒸汽再去推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電,這就成了核電站。反應(yīng)堆是核電站的心臟,它相當(dāng)于火力發(fā)電站的鍋爐。只不過鍋爐里燒的是煤,反應(yīng)堆里“燒”的是核燃料。火柴盒大小的一塊可代替30多卡車的優(yōu)質(zhì)煤,真是令人難以置信的核能!在反應(yīng)堆的外面,還修建有很厚的水泥防護(hù)層,用來屏蔽核反應(yīng)中產(chǎn)生的射線對(duì)人體的傷害。
“核反應(yīng)堆家族”是由哪些成員組成的
這里所說的核反應(yīng)堆僅指核裂變反應(yīng)堆。因?yàn)楹四芄I(yè)應(yīng)用特別是核電應(yīng)用,截止今天能夠?qū)嵱没暮朔磻?yīng)堆,無論是哪種堆型,本質(zhì)上都是“核裂變反應(yīng)堆”。按發(fā)展階段來說,是指第一代反應(yīng)堆和第二代快中子增殖堆,而第三代核聚變反應(yīng)堆仍處于研究階段。由于原子核反應(yīng)堆中,采取了不同的控制辦法,就分出了幾種不同的堆型。下面,讓我們來“拜訪”一下形形色色的核反應(yīng)堆。技術(shù)最成熟的是輕水堆。所謂“輕水堆”,簡明地說就是利用經(jīng)過過濾凈化的普通水作減速劑和冷卻劑,使快中子遇水后,減緩速度的反應(yīng)堆。
輕水堆分為“壓水堆”和“沸水堆”兩類。前者是指使核反應(yīng)的水處于高壓狀態(tài),不在堆內(nèi)沸騰,而是將其引入蒸發(fā)器中,在其中與低壓水進(jìn)行熱交換,產(chǎn)生熱蒸氣。壓水堆是目前公認(rèn)的技術(shù)最成熟、安全可靠性最高的核反應(yīng)堆型。世界上現(xiàn)有的400多座核電站中,大多數(shù)是壓水堆?！胺兴选笔窃诤朔磻?yīng)堆中直接產(chǎn)生水蒸汽。與眾不同的“重水堆”,是指使用重水(氧化氘,D2O)作為核裂變產(chǎn)生的中子減速劑和冷卻劑的反應(yīng)堆。重水堆的突出特點(diǎn)是,這種電站的連續(xù)工作時(shí)間可以很長,不必停機(jī)更換燃料?！皻饫涠选笔抢脷怏w冷卻的反應(yīng)堆,其減速劑采用石墨,冷卻劑采用氦氣。
這種反應(yīng)堆使用范圍廣泛,有供熱、發(fā)電、煉鋼等多種用途。以上所談的輕水堆(壓水堆和沸水堆)、重水堆和氣冷堆等,都是目前實(shí)用的第一代核反應(yīng)堆,都屬消耗型的熱中子轉(zhuǎn)換堆。這些反應(yīng)堆只將蘊(yùn)藏在天然鈾中1%~2%的能量利用起來,燃燒利用率太低,要消耗大量的天然鈾資源。于是,第二代快中子增殖堆(簡“快堆”)應(yīng)運(yùn)而生了?？於褜?duì)節(jié)省鈾資料、提高核電站的安全性都是極為重要的。它的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是其燃料可以循環(huán)使用。甚至可以說,快堆是既增產(chǎn),又節(jié)流,還可開源的“多面手”?？於咽墙鼛啄耆〉煤艽筮M(jìn)展的高科技產(chǎn)物,我們將單獨(dú)介紹這種新型的反應(yīng)堆。核能技術(shù)的飛速發(fā)展,在世界能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著越來越重要的地位,對(duì)世界各國的經(jīng)濟(jì)繁榮、政治穩(wěn)定、國防強(qiáng)大產(chǎn)生了巨大的影響。
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