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在核能利用上,人们不希望铀核像原子弹一样一下子都裂变掉,而是希望要有控制地让一定数量的铀核进行裂变,使巨大的原子核能平静而缓慢地释放出来,这就需要设计一种特殊的可受控制的反应装置-原子核反应堆。反应堆的核心部分是堆芯。堆芯内装有钠25或怀20等核燃料,用中子--“点火”,原子核裂变的“链锁反应”就开始了,即核燃料就“燃烧”起来。铀235裂变产生的是速度很高的快中子。这些快中子很容易被天然铀中含量很高的铀238俘获而不发生裂变,从而使铀235原子核间的链式反应停止。  为了降低中子的速度,人们在铀棒的周围装入了石墨或重水等减速剂。这样一来,铀235裂变产生的快中子进入石墨后,就与石墨的原子核发生相互碰撞,结果,使其速度减慢,能量减小,变成了速度较慢的热中子。铀238不吸收这种热中子,从而,保证了铀235的裂变反应继续进行。如果中子太多,又会使铀235得裂变反应进行得太激烈。这样随核能的大量释放,反应堆内部温度的不断升高,有可能使反应堆遭到破坏。那么,该如何控制核裂变链式反应进行的速度呢?其实很简单,只要在反应堆里安装一种棒状的控制元件,以控制新产生的中子数量就行了。控制棒一般用镉钢制成,这些材料特别喜欢“吞吃”中子。  当反应过快时,将控制棒插进反应堆深一点,让它大量“吞吃”中子,中子数目立刻减少,反应就慢下来;反之,链式反应的速度就会加快。从而使反应堆按照人们的需要释放能量。反应堆启动后,核裂变释放的核能会使反应堆的温度迅速上升。人们采用循环运行的冷却剂,把能量从反应堆里源源不断地输送出来,通过热交换器把能量传送给水,大量的水受热变成高温高压的蒸汽,蒸汽再去推动汽轮发电机发电,这就成了核电站。反应堆是核电站的心脏,它相当于火力发电站的锅炉。只不过锅炉里烧的是煤,反应堆里“烧”的是核燃料。火柴盒大小的一块可代替30多卡车的优质煤,真是令人难以置信的核能!在反应堆的外面,还修建有很厚的水泥防护层,用来屏蔽核反应中产生的射线对人体的伤害。  “核反应堆家族”是由哪些成员组成的 这里所说的核反应堆仅指核裂变反应堆。因为核能工业应用特别是核电应用,截止今天能够实用化的核反应堆,无论是哪种堆型,本质上都是“核裂变反应堆”。按发展阶段来说,是指第一代反应堆和第二代快中子增殖堆,而第三代核聚变反应堆仍处于研究阶段。由于原子核反应堆中,采取了不同的控制办法,就分出了几种不同的堆型。下面,让我们来“拜访”一下形形色色的核反应堆。技术最成熟的是轻水堆。所谓“轻水堆”,简明地说就是利用经过过滤净化的普通水作减速剂和冷却剂,使快中子遇水后,减缓速度的反应堆。  轻水堆分为“压水堆”和“沸水堆”两类。前者是指使核反应的水处于高压状态,不在堆内沸腾,而是将其引入蒸发器中,在其中与低压水进行热交换,产生热蒸气。压水堆是目前公认的技术最成熟、安全可靠性最高的核反应堆型。世界上现有的400多座核电站中,大多数是压水堆。“沸水堆”是在核反应堆中直接产生水蒸汽。与众不同的“重水堆”,是指使用重水(氧化氘,D2O)作为核裂变产生的中子减速剂和冷却剂的反应堆。重水堆的突出特点是,这种电站的连续工作时间可以很长,不必停机更换燃料。“气冷堆”是利用气体冷却的反应堆,其减速剂采用石墨,冷却剂采用氦气。  这种反应堆使用范围广泛,有供热、发电、炼钢等多种用途。以上所谈的轻水堆(压水堆和沸水堆)、重水堆和气冷堆等,都是目前实用的第一代核反应堆,都属消耗型的热中子转换堆。这些反应堆只将蕴藏在天然铀中1%~2%的能量利用起来,燃烧利用率太低,要消耗大量的天然铀资源。于是,第二代快中子增殖堆(简“快堆”)应运而生了。快堆对节省铀资料、提高核电站的安全性都是极为重要的。它的一个独特优点是其燃料可以循环使用。甚至可以说,快堆是既增产,又节流,还可开源的“多面手”。快堆是近几年取得很大进展的高科技产物,我们将单独介绍这种新型的反应堆。核能技术的飞速发展,在世界能源结构中占据着越来越重要的地位,对世界各国的经济繁荣、政治稳定、国防强大产生了巨大的影响。 |
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