核裂变能的和平利用

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1、引言：世 界 上 的 一 切 物 质 都 是 由 带 正 电 的 原 子 核 和 绕 原 子 核 旋 转 的 带 负 电 的 电 子 构 成 的 。原 子 核 包 括 质 子 和 中 子 ， 质 子 数 决 定 了 该 原 子 属 于 何 种 元 素 ， 原 子 的 质 量 数 等 于 质 子数 和 中 子 数 之 和 。 如 果 把 原 子 看 作 是 我 们 生 活 的 地 球 ， 那 么 原 子 核 就 相 当 于 一 个 乒乓 球 的 大 小 。 虽 然 原 子 核 的 体 积 很 小 ， 但 在 一 定 条 件 下 它 却 能 释 放 出 惊 人 的 能 量 。1.什么是核能？核能：

2、又称原子能，是通过转化其质量，从原子核中释放的能量。2.核 反 应 的 种 类 ：1、 核裂变，打开原子核的结合力。2、 核聚变，原子的粒子熔合在一起。3、 核衰变，自然的慢得多的裂变形式。2.1 核 裂 变核 裂 变 是 指 一 个 重 原 子 核 ， 分 裂 成 两 个 或 多 个 中 等 原 子 量 的 原 子 核 ， 引起 链 式 反 应 ， 从 而 释 放 出 巨 大 的 能 量 。 与 此 同 时 ， 核 能 也 连 续 不 断 地 释 放 出来 。重 核 裂 变 的 链 式 反 应2.2 核 聚 变轻 核 聚 变所 谓 核 聚 变 是 指 在 高 温 下 (几 百 万 度 以 上

3、 )两 个 质 量 较 小 的 原 子 核 结 合成 质 量 较 大 的 新 核 并 放 出 大 量 能 量 的 过 程 ， 也 称 热 核 反 应 。 它 是 取 得 核 能的 重 要 途 径 之 一 。 由 于 原 子 核 间 有 很 强 的 静 电 排 斥 力 ， 因 此 在 一 般 的 温 度 和压 力 下 ， 很 难 发 生 聚 变 反 应 。 而 在 太 阳 等 恒 星 内 部 ， 压 力 和 温 度 都 极 高 ，所 以 就 使 得 轻 核 有 了 足 够 的 动 能 克 服 静 电 斥 力 而 发 生 持 续 的 聚 变 。 自 持 的 核聚 变 反 应 必 须 在 极 高 的

4、 压 力 和 温 度 下 进 行 ， 故 称 为 热 核 聚 变 反 应 。 3 核 反 应 堆3.1 核 反 应 堆 工 作 原 理 ： 原 子 由 原 子 核 与 核 外 电 子 组 成 。 原 子 核 由 质 子 与 中 子 组 成 。 当 铀 235 的 原 子 核受 到 外 来 中 子 轰 击 时 ， 一 个 原 子 核 会 吸 收 一 个 中 子 分 裂 成 两 个 质 量 较 小 的 原 子 核 ， 同 时放 出 23 个 中 子 。 这 裂 变 产 生 的 中 子 又 去 轰 击 另 外 的 铀 235 原 子 核 ， 引 起 新 的 裂 变 。如 此 持 续 进 行 就 是

5、裂 变 的 链 式 反 应 。 链 式 反 应 产 生 大 量 热 能 。 用 循 环 水 (或 其 他 物 质 )带 走 热 量 才 能 避 免 反 应 堆 因 过 热 烧 毁 。 导 出 的 热 量 可 以 使 水 变 成 水 蒸 气 ， 推 动 气 轮 机 发电 。 由 此 可 知 ， 核 反 应 堆 最 基 本 的 组 成 是 裂 变 原 子 核 +热 载 体 。 但 是 只 有 这 两 项 是 不能 工 作 的 。 因 为 ， 高 速 中 子 会 大 量 飞 散 ， 这 就 需 要 使 中 子 减 速 增 加 与 原 子 核 碰 撞 的 机 会 ；核 反 应 堆 要 依 人 的 意

6、愿 决 定 工 作 状 态 ， 这 就 要 有 控 制 设 施 ； 铀 及 裂 变 产 物 都 有 强 放 射 性 ，会 对 人 造 成 伤 害 ， 因 此 必 须 有 可 靠 的 防 护 措 施 。综 上 所 述 ， 核 反 应 堆 的 合 理 结 构 应 该 是 ： 核 燃 料 +慢 化 剂 +热 载 体 +控 制 设 施 +防护 装 置 。 还 需 要 说 明 的 是 ， 铀 矿 石 不 能 直 接 做 核 燃 料 。 铀 矿 石 要 经 过 精 选 、 碾 碎 、 酸 浸 、浓 缩 等 程 序 ， 制 成 有 一 定 铀 含 量 、 一 定 几 何 形 状 的 铀 棒 才 能 参 与

7、反 应 堆 工 作 。3.2 核 反 应 堆 类 型反 应 堆 的 类 型 很 多 1， 但 它 主 要 由 活 性 区 ， 反 射 层 ， 外 压 力 壳 和 屏 蔽 层 组 成 。 活性 区 又 由 核 燃 料 ， 慢 化 剂 ， 冷 却 剂 和 控 制 棒 等 组 成 。 现 在 用 于 原 子 能 发 电 站 的 反 应 堆 中 ，压 水 堆 是 最 具 竞 争 力 的 堆 型 （ 约 占 61%） ， 沸 水 堆 占 一 定 比 例 （ 约 占 24%） ， 重 水 堆用 的 较 少 （ 约 占 5%） 。3.3 核 心 结 构 ：3.3.1 慢 化 剂慢 化 剂核 燃 料 裂 变

8、反 应 释 放 的 中 子 为 快 中 子 ， 而 在 热 中 子 或 中 能 中 子 反 应 堆 中 要 应 用 慢 化 中子 维 持 链 式 反 应 ， 慢 化 剂 就 是 用 来 将 快 中 子 能 量 减 少 ， 使 之 慢 化 成 为 中 子 或 中 能 中 子的 物 质 。 应 用 最 多 的 固 体 慢 化 剂 是 石 墨 ， 石 墨 是 迄 今 发 现 的 可 以 采 用 天 然 铀 为 燃 料 的两 种 慢 化 剂 之 一 ； 另 一 种 是 重 水 ， 从 核 特 性 看 ， 重 水 是 更 好 的 慢 化 剂 ， 并 且 因 其 是 液体 ， 可 兼 做 冷 却 剂 ，

9、主 要 缺 点 是 价 格 较 贵 ， 系 统 设 计 需 有 严 格 的 密 封 要 求 。 轻 水 是 应 用最 广 泛 的 慢 化 剂 ， 虽 然 它 的 慢 化 性 能 不 如 重 水 ， 但 价 格 便 宜 。 重 水 和 轻 水 有 共 同 的 缺点 ， 即 产 生 辐 照 分 解 ,出 现 氢 、 氧 的 积 累 和 复 合 。 3.3.2 控 制 棒控 制 棒在 反 应 堆 中 起 补 偿 和 调 节 中 子 反 应 性 以 及 紧 急 停 堆 的 作 用 。 制 作 控 制 棒 的 材 料 其 热中 子 吸 收 截 面 大 ， 而 散 射 截 面 小 。 核 电 站 常 用

10、的 控 制 棒 材 料 有 硼 钢 、 银 -铟 -镉 合 金 等 。核 电 站 通 过 专 门 驱 动 机 构 调 节 控 制 棒 插 入 燃 料 组 件 的 深 度 ， 以 控 制 反 应 堆 的 反 应 性 ， 紧急 情 况 下 则 利 用 控 制 棒 停 堆 （ 这 时 ， 控 制 棒 材 料 大 量 吸 收 热 中 子 ， 使 自 持 链 式 反 应 无 法维 持 而 中 止 ） 。 3.3.3 冷 却 剂冷 却 剂由 主 循 环 泵 驱 动 ， 在 一 回 路 中 循 环 ， 从 堆 心 带 走 热 量 并 传 给 二 回 路 中 的 工 质 ， 使 蒸汽 发 生 器 产 生 高

11、温 高 压 蒸 汽 ， 以 驱 动 汽 轮 发 电 机 发 电 。 冷 却 剂 是 唯 一 既 在 堆 心 中 工 作又 在 堆 外 工 作 的 一 种 反 应 堆 成 分 ， 这 就 要 求 冷 却 剂 必 需 在 高 温 和 高 中 子 通 量 场 中 工 作 是稳 定 的 。 此 应 用 最 普 遍 的 压 水 堆 核 电 站 用 轻 水 作 冷 却 剂 兼 慢 化 剂 。 3.3.4 屏 蔽 层为 防 护 中 子 、 射 线 和 热 辐 射 ， 必 须 在 反 应 堆 和 大 多 数 辅 助 设 备 周 围 设 置 屏 蔽 层 。中 子 屏 蔽 需 用 有 较 大 中 子 俘 获 截

12、面 元 素 的 材 料 ， 通 常 含 硼 ， 有 时 是 浓 缩 的 硼 -10。3.4 反 应 堆 的 运 行3.4.1 热中子反应堆：它是用慢化剂把快中子速度降低，使之成为热中子（或称慢中子） ，再利用热中子来进行链式反应的一种装置。由于热中子更容易引起铀235 等裂变，这样，用少量裂变物质就可获得链式裂变反应。慢化剂是一些含轻元素而又吸收中子少的物质，如重水、铍、石墨、水等。热中子堆一般都是把燃料元件有规则地排列在慢化剂中，组成堆芯。链式反应就是在堆芯中进行的。 反应堆必须用冷却剂把裂变能带出堆芯。冷却剂也是吸收中子很少的物质。热中子堆最常用的冷却剂是轻水（普通水） 、重水、二氧化碳和

13、氦气。 3.4.2 轻水堆压水堆电站压水堆核电站的一回路系统与二回路系统完全隔开，它是一个密闭的循环系统。该核电站的原理流程为：主泵将高压冷却剂送入反应堆，一般冷却剂保持在 120160 个大气压。在高压情况下，冷却剂的温度即使 300多也不会汽化。冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆，并进入蒸汽发生器，通过数以千计的传热管，把热量传给管外的二回路水，使水沸腾产生蒸汽；冷却剂流经蒸汽发生器后，再由主泵送入反应堆，这样来回循环，不断地把反应堆中的热量带出并转换产生蒸汽。从蒸汽发生器出来的高温高压蒸汽，推动汽轮发电机组发电。做过功的废汽在冷凝器中凝结成水，再由凝结给水泵送入加热器，重新加热后送回蒸汽

14、发生器。这就是二回路循环系统。4 核 电 站 ：利 用 核 反 应 堆 中 核 裂 变 所 释 放 出 的 热 能 进 行 发 电 的 方 式 。 它 与 火 力 发电 极 其 相 似 。 只 是 以 核 反 应 堆 及 蒸 汽 发 生 器 来 代 替 火 力 发 电 的 锅 炉 ， 以 核裂 变 能 代 替 矿 物 燃 料 的 化 学 能 。 核 能 发 电 利 用 铀 燃 料 进 行 核 分 裂 连 锁 反 应所 产 生 的 热 ， 将 水 加 热 成 高 温 高 压 ， 利 用 产 生 的 水 蒸 气 推 动 蒸 汽 轮 机 并 带 动发 电 机 。 核 反 应 所 放 出 的 热 量

15、较 燃 烧 化 石 燃 料 所 放 出 的 能 量 要 高 很 多 （ 相差 约 百 万 倍 ） ， 比 较 起 来 所 以 需 要 的 燃 料 体 积 比 火 力 电 厂 少 相 当 多 。 核 能发 电 所 使 用 的 的 铀 235 纯 度 只 约 占 3% 4%， 其 馀 皆 为 无 法 产 生 核 分 裂 的铀 238。 举 例 而 言 ， 核 电 厂 每 年 要 用 掉 80 吨 的 核 燃 料 ， 只 要 2 支 标 准 货 柜 就 可以 运 载 。 如 果 换 成 燃 煤 ， 需 要 515 万 吨 ， 每 天 要 用 20 吨 的 大 卡 车 运 705车 才 够 。 如 果

16、 使 用 天 然 气 ， 需 要 143 万 吨 ， 相 当 于 每 天 烧 掉 20 万 桶 家 用 瓦斯 。 换 算 起 来 ， 刚 好 接 近 全 台 湾 692 万 户 的 瓦 斯 用 量 。 核 能 发 电 过 程 ：核 能 水 和 水 蒸 气 的 内 能 发 电 机 转 子 的 机 械 能 电 能 。 4.1 优 点1 核 能 发 电 不 像 化 石 燃 料 发 电 那 样 排 放 巨 量 的 污 染 物 质 到 大 气 中 ， 因此 核 能 发 电 不 会 造 成 空 气 污 染 。 2 核 能 发 电 不 会 产 生 加 重 地 球 温 室 效 应 的 二 氧 化 碳 。 3 核 能 发 电 所 使 用 的 铀 燃 料 ， 除 了 发 电 外 ， 暂 时 没 有 其 他 的 用 途 。 4 核 燃 料 能 量 密 度 比 起 化 石 燃 料 高 上 几 百 万 倍 ， 故 核 能 电 厂 所 使 用 的燃 料 体 积 小 ， 运 输 与 储 存