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量的鈾核進行裂變,使巨大的原子核能平靜而緩慢地釋放出來,這就需要設計一種特殊的可受控制的反應裝置-原子核反應堆。反應堆的核心部分是堆芯。堆芯內裝有鈉25或懷20等核燃料,用中子--“點火”,原子核裂變的“鏈鎖反應”就開始了,即核燃料就“燃燒”起來。鈾235裂變產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俘獲而不發生裂變,從而使鈾235原子核間的鏈式反應停止。
為了降低中子的速度,人們在鈾棒的周圍裝入了石墨或重水等減速劑。這樣一來,鈾235裂變產生的快中子進入石墨后,就與石墨的原子核發生相互碰撞,結果,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的裂變反應繼續進行。如果中子太多,又會使鈾235得裂變反應進行得太激烈。這樣隨核能的大量釋放,反應堆內部溫度的不斷升高,有可能使反應堆遭到破壞。那么,該如何控制核裂變鏈式反應進行的速度呢?其實很簡單,只要在反應堆里安裝一種棒狀的控制元件,以控制新產生的中子數量就行了。控制棒一般用鎘鋼制成,這些材料特別喜歡“吞吃”中子。
當反應過快時,將控制棒插進反應堆深一點,讓它大量“吞吃”中子,中子數目立刻減少,反應就慢下來;反之,鏈式反應的速度就會加快。從而使反應堆按照人們的需要釋放能量。反應堆啟動后,核裂變釋放的核能會使反應堆的溫度迅速上升。人們采用循環運行的冷卻劑,把能量從反應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,蒸汽再去推動汽輪發電機發電,這就成了核電站。反應堆是核電站的心臟,它相當于火力發電站的鍋爐。只不過鍋爐里燒的是煤,反應堆里“燒”的是核燃料。火柴盒大小的一塊可代替30多卡車的優質煤,真是令人難以置信的核能!在反應堆的外面,還修建有很厚的水泥防護層,用來屏蔽核反應中產生的射線對人體的傷害。
“核反應堆家族”是由哪些成員組成的
這里所說的核反應堆僅指核裂變反應堆。因為核能工業應用特別是核電應用,截止今天能夠實用化的核反應堆,無論是哪種堆型,本質上都是“核裂變反應堆”。按發展階段來說,是指第一代反應堆和第二代快中子增殖堆,而第三代核聚變反應堆仍處于研究階段。由于原子核反應堆中,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堆。技術最成熟的是輕水堆。所謂“輕水堆”,簡明地說就是利用經過過濾凈化的普通水作減速劑和冷卻劑,使快中子遇水后,減緩速度的反應堆。
輕水堆分為“壓水堆”和“沸水堆”兩類。前者是指使核反應的水處于高壓狀態,不在堆內沸騰,而是將其引入蒸發器中,在其中與低壓水進行熱交換,產生熱蒸氣。壓水堆是目前公認的技術最成熟、安全可靠性最高的核反應堆型。世界上現有的400多座核電站中,大多數是壓水堆。“沸水堆”是在核反應堆中直接產生水蒸汽。與眾不同的“重水堆”,是指使用重水(氧化氘,D2O)作為核裂變產生的中子減速劑和冷卻劑的反應堆。重水堆的突出特點是,這種電站的連續工作時間可以很長,不必停機更換燃料。“氣冷堆”是利用氣體冷卻的反應堆,其減速劑采用石墨,冷卻劑采用氦氣。
這種反應堆使用范圍廣泛,有供熱、發電、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,都是目前實用的第一代核反應堆,都屬消耗型的熱中子轉換堆。這些反應堆只將蘊藏在天然鈾中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”)應運而生了。快堆對節省鈾資料、提高核電站的安全性都是極為重要的。它的一個獨特優點是其燃料可以循環使用。甚至可以說,快堆是既增產,又節流,還可開源的“多面手”。快堆是近幾年取得很大進展的高科技產物,我們將單獨介紹這種新型的反應堆。核能技術的飛速發展,在世界能源結構中占據著越來越重要的地位,對世界各國的經濟繁榮、政治穩定、國防強大產生了巨大的影響。
