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关于各类核反应堆的构造、特点科普

2017-01-18  alayavijn...

        昨天看到一个帖子,说日本反应堆比中国先进,还经常有人嚷嚷气冷堆上潜艇,还有世界上3大核电站事故的情况,实在看不下去了,现在对核反应堆做个简单科普。

    反应堆由燃料棒、控制棒、冷却剂、慢化剂组成,自行百度,我主要讲各类反应堆的具体情况。
    首先是石墨液冷堆,是人类第一种掌握的反应堆,由费米于1942年12月2日在芝加哥大学网球场建立并启动,而第一个核电站,也是石墨液冷堆,由苏联建造。
    这种反应堆用石墨作为慢化剂,水作为冷却剂,没有耐压壳。整体构造可以想象成蜂窝煤,在石墨中通上各类管线。作为人类第一代反应堆,缺点很多:1、没有耐压壳,安全性很差,一旦事故,堆心就会暴露在大气层中。2、高纯度石墨易燃,失事时会造成大火,不仅会阻碍救援,还会促进放射物在大气扩散。3、每一个管线都是单独的单元,各个管线并不是一体的,不利于维护。石液冷堆只有苏联大规模投入商业运营,切尔诺贝利爆炸的就是这种堆。
    第二种是重水堆,当年纳粹开发核弹用的就是这种堆,用重水作为慢化剂,当时只有挪威能生产重水,工厂还被盟军炸了,攻入德国的时候就发现了一个完整的重水堆,只不过重水太少(只有2吨),不足以引起核反应,如果当时纳粹获得了足够的重水…………
    重水很少吸收中子,所以重水堆的核燃料不用浓缩,用天然铀就行,省去了庞大的铀浓缩工厂;因为很少吸收中子,所以增值(下文会讲到)是所有慢中子堆中最高的;因为慢化剂是液体,紧急情况下只要排空慢化剂,就回停止核反应,安全性也很高;钴60(一种重要医疗资源,用于化疗)也主要由重水堆生产;最重要的一点是:核弹所用的钚239通常是由重水堆生产,其他反应堆生产的钚会含有钚240,用于反应堆没问题,但不能用于核弹。
    重水堆主要使用国家为加拿大,我国的秦山3期也是重水堆,汶川大地震时时受影响的那个堆,就是重水堆。
    然后就是世界的主流,压水堆。压水堆是将冷却剂与慢化剂合二为一,用普通水来完成,因为省去了慢化剂的空间,所以最为紧凑。因为水会吸收一部分中子,所以压水堆的核燃料,浓缩丰度比较高,以补偿被吸收的中子。
    世界上所以核动力船舶都是压水堆(苏联搞过金属堆,后来放弃了,下文会讲到),核电站也大都是压水堆,比如我给的大亚湾、秦山1、2期,田湾核电站,以及美国失事的三里岛核电站。压水堆内部有耐压壳,外部有安全壳,虽然发生了核事故,不过放射性物质都被阻隔开了,对环境影响降到了最低。
    接下来是奇葩的沸水堆,也就是日本福岛核电站的堆。
    核反应是有放射性的,所以一般反应堆有两个回路,我们将从反应堆导出热量的称为第一回路,给汽轮机供气的称第二回路。第一回路的热水通过热交换器给第二回路加热,将放射性阻隔开。不过热交换器管壁非常薄,只有1.5毫米,是易出事故的部件,沸水堆的目地,就是取消热交换器。
    怎么做到呢?就是让冷却剂在反应堆里直接沸腾,产生蒸汽,再由这种带有放射性的蒸汽直接推动汽轮机发电,换句话说,汽轮机本身就被感染放射性了。
    只有一个回路,而且放射性物质直接导出安全壳,其安全性怎么样,不言而喻了,第三代反应堆已经不考虑着种堆了。还有,这种技术主要掌握在美国西屋公司,日本不过是引进建造罢了。
    再下来,就是我们的独门绝技:石墨气冷堆。
    气冷堆的构造和其他反应堆都不一样,最早是英国设计建造,后来德国进行了跟进,最后由我们完成了最终的完善。石墨气冷堆的优点有两个:1.热效率高2.安全性高,缺点么,体积庞大,当然对核电站而言无所谓,上船是不可能的啦!
    顾名思义,石墨气冷堆的冷却剂是氦气(英国用过二氧化碳),慢化剂是石墨。气冷堆没有燃料棒,也没有单独的慢化剂单元,这种堆是将核燃料做成小颗粒,外面包裹上石墨层,再松散的堆入容器,等堆到了临界体积,核反应就开始了。一旦出现事故,只要将容器底部打开,导出部分燃料,低于临界体积,核反应自然就停止了,所以安全性很高。
    热效率为什么会很高呢?因为液体冷却剂的温度一般只有500℃左右,气冷堆能超过1000℃!!!不过气体的导热性能差,所以核燃料的间距比较大,要大量通过导热气体,所以体积比一般核反应堆大的多。世界上第一个商业气冷堆,现在我国山东建造当中。
    还有一种很少见的反应堆,叫金属堆,用铅铋合金作冷却剂,特点就是功率密度大。很好理解,金属的导热性比水强很多,用很少的冷却剂就能带走更多的热量,所以在功率相同情况下,金属堆的体积最小。
    苏联当时是为了核潜艇才制造的这种反应堆,因为维护太过麻烦,反应堆一旦停堆,金属就会在管道里凝固,所以被放弃了。美国也研究过这种反应堆想用于航母、潜艇,也放弃了。
    最后就是快中子反应堆,提到快中子堆就要提到增值概念。
   在天然铀,能用于核反应的铀235只占0.7%,99%的铀238不能用于核反应,但铀238吸收中子后会变成钚239,也可以用于核反应。一般反应堆消耗的燃料比转换的要多,如果转换的比消耗的多,那么核燃料就回“增值”,所以称为增值堆。
    增值堆没有慢化剂,因为慢化的中子增值很少;但快中子速度快,在核燃料内停留时间短,难以引发核反应,所以采用高浓度,甚至是武器级别的核燃料,增大反应几率。
    因此带来一个问题,一旦发生事故,燃料棒相互堆积,就会发生核链式反应,而变成核爆炸!!而且快中子长时间照射会让材料脆化;快中子堆发热量很大,水无法满足冷却要求,只能用麻烦的金属合金,或强腐蚀的融盐,或剧毒的有机溶剂。建造使用成本很高,所以现在很难投入实际应用。
    快堆中比较出名的是法国超凤凰,和日本的文殊。前者是唯一商业运营的快堆,后来因成本高昂,又关闭了;后者是因为核燃料机械臂直接掉进反应堆堆芯,几吨中的机械臂直接砸下去了!现在增值的核燃料也无法取出,越烧越多,也不知道日本怎么收场(这两个快堆都是钠冷堆)。
    还有一种快堆,是利用钍232,吸收中子变成铀233,铀233也是一种核燃料。对这种反应堆感兴趣的国家是印度中国,这两个国家钍储藏量一个世界第一,一个世界第二,而且,钍的储藏量比铀高几十倍。不过钍堆似乎还没有走出实验室,连实验堆都没有什么消息,不过美国倒用其他反应堆生产过铀233,作为核武器装药,因为它的临界体积最小。
    除以上反应堆外,还有啥超临界反应堆,都只是图纸堆而已。



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