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肖立安博客

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核电常识  

2011-03-17 22:56:34|  分类: 学习 |  标签: |举报 |字号 订阅

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      切尔诺贝利核电站阴云还未散去,福岛核电站的毒雾,再次朝我们袭来。人家日本核污染,我们商店的盐,竟然都给抢光了。最近几天,抽出点时间,整理一点核电知识,也许对大家有用,其实,怕是没意义的,也是没有必要的,远隔千里之外,这么忧天忧地,其实大可不必。

       1。核裂变反应

都知道蒸汽机,是靠高温水蒸气,推动发动机工作。要有高温蒸汽,就必须给水加热,就需要燃料。燃料可以是油,也可以是煤,也可以核燃料。核电站的燃料,就是核燃料铀。

铀的同位素,有铀235和铀238。只有铀235,才易发生裂变。这种重原子核,如果俘获慢中子,就会发生分裂,在裂变的时候,放出巨大的能量。

可有个大问题,在重核裂变时,会放出许多中子,和高能量的光子,即产生放射线,裂变成的新元素,也具有放射性。这种放射线,能摧毁人体内的分子结构,对人体造成极大的伤害,只要想想原子弹,你都会不寒而栗。

裂核反应过程,吸收一个慢中子,可产生多个中子,但中子速度太快,不易被铀235俘获,要把速度降下来,就要用到慢化剂,慢化剂的作用,使快中子减速,成为慢中子。氢核的质量相同,恰好和中子相同,慢化效果最好,大凡打桌球的人,都能够体会到。水含有大量的氢,用水做慢化剂,既简单又实用。水还兼另一作用,那就是冷却剂,传递反应的热量,控制反应室温度。在裂变过程中,随着反应的进行,慢中子越来越多,反应不断加快,一直进行下去,叫做链式反应。水得到核能量,即被加热以后,就开始循环起来,推动发动机发电。链式反应要控制,就没那么简单,利用核能发电,比原子弹要复杂,一个很大的难题,就是控制速度。只要控制不好,就会发生灾难。

氢弹比原子弹,要厉害得多,原料广泛得多,几乎是取之不尽,之所以还用不了,就是无法控制。因为温度太高了,压力也太大了,还想不出好办法。相比之下,原子能温和多了。

2.核反应堆

原子裂变反应,因为具有放射性,对人类造成威胁,所以这种反应,只能在封闭中进行,我们把这个封闭体,叫做核反应堆。

核反应堆的功能,一要确保安全,二要控制核反应。反应堆的结构,主要由活性区,反射层,外压力壳和屏蔽层组成,而活性区,又由核燃料,慢化剂,冷却剂和控制棒等组成。

3.核反应堆类型

核电常识 - 老肖 - 肖立安博客

沸水堆原理图

 

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压水堆原理图

核反应堆,就目前而言,主要是两种:压水堆和沸水堆。通俗一点讲,像我们煮饭一样,有普通锅,和高压锅。沸水堆,就是普通锅,由于压力不高,大约70个大气压,水温升高以后,会在里面沸腾,生成的水蒸汽,直接推动汽轮机。而压水堆呢,就是高压锅,容器是密封的,里面压力很高,达150个大气压,温度升高以后,水不会在里面沸腾,产生的高压蒸汽,不直接推动汽轮机,而是通过冷却系统,再煮开外面的水,产生低压蒸汽,叫蒸汽发生器,再推动蒸汽轮机发电。

压水堆更具竞争力,已运行的核电站,压水堆约占61%,沸水堆比例较小,大概约占24%。我国的秦山核电站,和大亚湾核电站,已经建成的,都属于压水堆,但正在筹建的,也有沸水堆。到底谁优谁劣,一时说不清楚。看来,核电站的设计,既然各有千秋,就不能说万无一失。

压水堆相对简单,反应堆的结构,主要分堆芯和压力容器。堆芯都差不多,包括燃料棒和控制棒,以及水循环系统,压水堆的关键,还在压力容器,这是一个密封的,又厚又重的,数十米高的圆筒大钢壳,所用的特种钢材,既耐高温高压,又耐高腐蚀,因为高温蒸汽压力,达到150大气压。所以容器的耐压值,比沸水堆高得多,是安全的重要保障。这种高压蒸汽,并不直接用来发电,在压力锅外面,设置一个蒸化器,吸收锅内的热量,产生无污染的蒸汽,再推动涡轮机发电,这个回路是安全的。压力容器的顶部,插有许多控制棒,和相应的驱动装置,用以驱动控制棒,在堆芯内上下移动。有专家以为,压水堆压力太大,容易发生爆炸。但压水堆里面,却没出过大事故,

沸水堆最大的优点,是压力要小得多,所以压力锅的成本,自然要低得多,理论上来说,发生爆炸的几率,相对要小一些。但是,却产生了另外的问题,因为水在堆芯沸腾,所产生的蒸汽,直接推动窝轮机,这些高温蒸汽,包括涡轮机,都存在高辐射,几乎所有工作区,都是不安全的。都必须封起来,不允许任何泄露。一旦冷却系统停止,或出现其他故障,要及时维修和控制,就成了个问题。

切尔诺贝利核电站,也属于沸水反应堆,不过慢化剂不是水,而是石墨。发生爆炸的时候,也就在维修期间。之所以发生爆炸,据官方的说法,是由于操作失误,而专家的说法,是设计缺陷所致,说法其实差不多,总的来说,还是控制出了问题,导致冷却系统装置。

3.福岛核事故

福岛核电站,使用的是沸水堆,是1961年,由美国人设计,1971年建成的。设计早已陈旧,存在许多缺陷。对于沸水堆,水既作慢化剂,又做冷却剂,水从堆芯下部流进,经过堆芯加热后上升,从燃料棒得到热量,变成了汽水混合物,再经汽水分离器,和蒸汽干燥器,分离出蒸汽后,直接推动汽轮机发电。由于冷却剂沸腾,蒸化成为水蒸汽,水就会不断消耗,必须不断补充水。按照设计,水从汽轮机冷凝后,由泵送回堆芯内,由主泵提供动力,保证水的循环流动,使堆芯热量散热,燃料棒的热量,被解热的水带走。因热胀冷缩关系,汽水分离器等装置,要装在堆芯顶端,控制棒不能从顶部插入。控制棒的成分是金属镉,可以有效吸收慢中子,棒插入堆芯越深,慢中子吸收越多,裂变的机会越少,反应速度就减慢,如果完全插入,反应自动终止。沸水堆的控制棒,是从堆芯底部,由下向上插入的,在插入的过程中,反应性逐渐降低,堆芯底部的温度,也会随之下降,高处温度却不会降。

为了沸水堆安全,堆芯设置了三层护罩。核燃料是氧化铀,是熔点3000℃的陶瓷体。陶瓷制成小圆柱,放入一个长桶内,长桶由锆锡合金制成,熔点在2000℃,然后将其密封,这就叫燃料棒。而许多条燃料棒,放在一个更大的单元,插入一些控制棒,一起放入反应堆内,组成反应堆核心。

锆锡合金外壳,作为第一层护罩,既耐受高温,又耐受高压,将核燃料与世隔绝。这个反应堆核心,置于压力容器里,相当于一个高压锅,能承受较大的压强。这个压力容器,作为第二层护罩。这个坚固的大锅,可容纳温度数百℃的核心,起到坚强的保护作用。

反应堆所有硬件,包括压力容器,各种管道,冷却泵,冷却水,慢化剂,汽轮机等,都封在第三层护罩中。所谓第三层护罩,是一个完全密封的,用最坚固的钢,和混凝土制成的,非常厚的一个球体。第三层护罩的设计,建造和测试,就为一个目的,当核心完全熔融时,将其包裹在其中,在其容器底部,造了个极厚实的碗。

这次日本地震海啸,核电站在强震下,堆芯被自动关闭,还有一种说法,因为控制棒向上插,不一定插到位了,也可能没有关死,麻烦就更大了,姑且说关死了吧。裂变反应停止后,一些连锁的反应,还要继续一段时间,况且强大的余热,还是个大问题。设计时考虑好了,一旦反应堆关闭,厂外供电停止,同时启动柴油机,给冷却系统供电,保证温度的控制。但海啸的到来,将柴油机淹没,冷却系统断电,水的循环随之终止,余热使水不断蒸化,堆芯内冷却剂减少,得不到及时补充,堆内水位不断降低,燃料组件开始裸露,失去冷却剂的保护,燃料棒骤然升温。

刚开始冷却时,东电集团的负责人,不想灌入海水进去,希望日后恢复生产,重启电源失败后,危险不断升级,不得不灌入海水,却耽误了最佳时间。现在的情况是,供水赶不上蒸发,水位不断下降,堆芯裸露的情况,得不到根本改善。由于控制棒设计,燃料组件上部温度,比其他部分更高,自然会熔融更快,不仅如此,在数百度高温下,水与锆合金反应,所生成了氢气,在容器内聚集,容器内压力大增,所以产生爆炸,目前核电站的爆炸,都是这个原因。包壳材料损毁后,裂变反应的产物,进入堆内水汽中,出现较大的扩散,这是目前核污染的成因。

 往堆内不断注水,蒸汽压力越来越高,为了防止超压爆裂,只好定期开闸放气。这是50位敢死队员,目前最大的任务。而放气的过程,氢气水气及其放射物,排泄进入厂房内,也使核污染加重。

但愿供电系统,能够尽快地重启,冷却系统进入工作,那么,危机很快就能解除。而最坏的情况,堆芯水位继续下降,升温得不到抑制,温度升到2000℃以上,如果燃料棒完全裸露,只需要45分钟,第一层护罩破坏,燃料棒爆炸散落,导致更大的扩散,那就不可收拾了。

万一所有的办法,都不能解决问题,最后还有一手,就是封闭反应堆,所谓的封堆,就是用蛮办法,用砂石和水泥,将整个核电厂,厚厚地掩起来,直到最终封死为止。因为切尔诺贝利,也是这么干的,这么做的话,环境破坏太大,日本一个小地方,实在是玩不起,另外,付出的经济代价,就不是一点点了。毕竟还有时间,相信这么多专家,都在积极应对,发挥他们的智慧,局势会控制住的。

我不会去抢盐,首先是不必要,就算真的要抢,你抢得过爷爷奶奶?况且,他们吃不完的,自然分你一点,因为你要死了,他们也不会活了,他们多慈悲啊,是吧。其实抢也没用,盐不过是盐而已,与核辐射搭不上界。盐能解决的问题,就不是大问题,核辐射的事,肯定比盐的事大,不然的话,日本首相菅直人,就不会吊着脸了。

4。中国的核电

据专家们分析,我国的压水堆,安全性更可靠。压水堆的安全,之所以更有保障,不是没有道理的:

 首先,压水堆有两个回路。堆芯处于一回路,这个回路只生热,不发电,处于密封状态。压水堆装置,通过蒸汽发生器,对二回路传热。一回路用稳压器,控制回路的压力,保证水在该回路中,不会出现沸腾,始终保持液态,冷却剂不会减少,燃料棒就不会裸露。而二回路无核污染,排放的水蒸气,跟沸水堆不一样。

其次,压水堆的控制棒,安装在堆芯上部,控制棒向下插入。如果出现故障,棒可依靠重力落下,一插到底,自动停止反应。即使控制棒,因为导向管变形,而被卡在中间,在下插的过程中,反应将集中堆芯下部,下部的温度会较高,即使水位下降,先裸露的部分,也不会先熔融,出现一回路破损。

就算主泵停转,一二回路的温度差,照样能自然循环,带走堆芯的热量。

 不过,不管怎样,核电站的安全,要引起更大的注意,面对自然的惩罚,还是谨慎点为好。我们的核电项目,如此大干快上,未必是件好事。

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