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核電站工作原理

網站編輯:河北鵬鑫管道裝備集團有限公司 │ 發布時間:2019-01-03 

核電站提供了世界上大約17%的電能。一些國家或地區對核電的依賴要比其他發電方式更高。例如,根據國際原子能機構提供的數據,在法國,大約75%的電是由核電站生產的。在美國,核電站共提供了大約15%的電能,但各州利用核電的情況并不統一。全世界共有超過400座核電站,而其中有超過100座在美國。 座落于北卡羅萊納州羅利市的 希隆·哈里斯 (Shearon Harris) 核電站的穹頂形的安全殼建筑。 您了解核電站的工作原理以及核能的安全性嗎?在這篇文章中,我們將為您介紹核反應堆和核電站的工作原理,并帶您了解核裂變的原理以及核反應堆的內部情況。 鈾是地球上一種相當普通的元素,在地球形成時就存在于這個行星中了。鈾原本是在恒星中形成的。年老的恒星爆炸,其塵埃聚集起來形成了地球。鈾-238 (U-238) 有一個非常長的半衰期(大于45億年),因此現在它們仍然大量存在。鈾-238占地球上所有鈾的99%,鈾-235 約占0.7%。鈾-234是由鈾-238衰變形成的,它更加稀少。(鈾-238經過很多階段的阿爾法和貝塔衰變才能轉變為穩定的鉛同位素,而鈾-234是這條反應鏈上的一環。) 鈾-235有一個奇特的特性讓它既可以用于核能發電也可以用于制造核彈。鈾-235和鈾-238一樣都是通過輻射阿爾法射線的方式衰變。鈾-235同時也在一小部分時間中進行著自發裂變。然而,鈾-235是少數能夠發生誘發裂變的物質之一。如果一個自由中子撞擊鈾-235的原子核,它的原子核將會立即吸收這個中子而變得不穩定,并馬上分解。請查看核輻射揭秘以了解全部細節。 核裂變 下面的動畫演示了一個中子從上部接近鈾-235的原子核。一旦原子核捕捉到中子,它馬上分解為兩個輕一些的原子,同時釋放出兩個或三個新的中子(中子的個數取決于鈾-235原子分解的方式)。兩個新的原子釋放出伽馬射線并穩定到新的狀態。有三件事情讓這個誘發裂變過程變得有趣: 鈾-235原子捕捉一個正在穿過的中子的概率非常高。在正常工作的核反應堆中(稱為臨界狀態),每次裂變釋放出的中子都會導致另一次裂變的發生。 捕捉中子并發生分解的過程非常迅速,單位為皮秒(即1x10-12秒)。 當單個原子分解時,會有巨大的能量通過熱和伽馬輻射的形式釋放出來。裂變生成的兩個原子也能夠釋放貝塔和伽馬射線。單個裂變反應之所以能釋放出能量,是因為裂變產物和中子加在一起的質量比原來的鈾-235原子的質量要小。方程E=mc2決定了質量差異轉化為能量的比率。 單位約為200MeV(百萬電子伏特)的能量被鈾-235原子通過衰變釋放出來(下面的公式將這些量轉化為我們常見的單位,1eV=1.602x10-12爾格,1x107爾格=1焦耳,1焦耳=1瓦秒,而1BTU(熱量單位)=1055焦耳)。這些可能看上去不是很多,但是一斤鈾中有大量的鈾原子。事實上,一斤高濃鈾被用于為核潛艇或者核動力航母提供能量,這約等于380萬升汽油能提供的能量。如果考慮到一斤鈾的尺寸比一個棒球還小,而380萬升的汽油卻能夠裝滿邊長為15米(有五層樓高)的立方體,您就能對鈾-235 所蘊含的能量有個概念了。 為使鈾-235的這些特性得到發揮,鈾樣品必須得到濃縮,這樣它就含有2-3% 或者更高濃度的鈾-235。3%的濃度足夠用于核電站。武器中的鈾含有90%或更多的鈾-235。 核電站內部 建造一個核反應堆需要濃度低一些的鈾。通常,鈾被制作成直徑相當于10美分硬幣左右,長度為2.5厘米左右的燃料元件。燃料元件被安裝到長燃料棒中,燃料棒被進一步組裝成燃料組件。燃料組件通常被浸泡在壓力容器中。容器中的水起冷卻作用。為使反應堆工作,浸泡在水中的燃料組件必須處于稍微超臨界的狀態。這意味著,如果沒有其他設備,鈾最終將會過熱并熔化。 為防止這種情況出現,由吸收中子的材料制成的控制棒通過升降裝置插入到燃料組件中。操作員通過升降控制棒來控制核反應的程度。當操作員希望鈾堆芯產生更多的熱量時,可將控制棒從鈾燃料組件中升起。要使熱量減少,則降低控制棒以插入到鈾燃料組件中。在發生事故或者更換燃料時,控制棒還能被完全插入鈾燃料組件中以關閉核反應堆。 鈾燃料組件是一個能夠產生極高能量的熱源。它對水進行加熱并將其轉化為蒸汽。蒸汽推動蒸汽輪機,而汽輪機則帶動發電機來發電。在某些反應堆中,反應堆產生的蒸汽通過二級中介熱交換裝置將另一個回路的水加熱為蒸汽來轉動汽輪機。這種設計的好處是放射性的水或者水蒸汽不會接觸到汽輪機。同樣,在某些反應堆中,與反應堆堆芯接觸的冷卻流體是氣體(如二氧化碳)或者液態金屬(如鈉或鉀),這種類型的反應堆允許堆芯在更高的溫度下工作。 如果除去核反應堆,核電站和火電站除了生成蒸汽的熱源不同外差異很少。 希隆·哈里斯 (Shearon Harris) 發電站的這臺發電機 為家庭和商業設施提供電力。它的發電功率為870兆瓦。 電站中輸送驅動發電機轉動的水蒸汽的管道。 反應堆的壓力容器通常被放置在一個用作輻射防護的混凝土襯里內。這個襯里被安裝在一個更大的鋼制密閉容器中。這個容器中有反應堆堆芯以及供工作人員維護反應堆的硬件設施(吊車等)。該容器的作用是防止放射性氣體或液體泄漏。 最后,這個密閉容器被外部的混凝土建筑保護,它的強度能夠承受噴氣式飛機的撞擊。這些二級密閉結構對防范如在三里島事故中那樣的輻射或放射性蒸汽的泄漏是必要的。前蘇聯的核電站中由于沒有二級密閉結構,最終導致了切爾諾貝利核電站事故。

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