科普宣传

首页   科普宣传


核反应堆知识

 


1.核反应堆及其组成

核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应,从而实现核能 - 热能转换的装置。

核反应堆是核电厂的心脏,核裂变链式反应在其中进行。

1942年美国芝加哥大学建成了世界上第一座自持的链式反应装置,从此开辟了核能利用的新纪元。

反应堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。

堆芯中的燃料:反应堆的燃料,不是煤、石油,而是可裂变材料。自然界天然存在的易于裂变的材料只有U -235,它在天然铀中的含量仅有 0.711%,另外两种同位素U-238 和U-234 各占 99.238%和 0.0058%,后两种均不易裂变。

另外,还有两种利用反应堆或加速器生产出来的裂变材料U -233 和Pu-239。

用这些裂变材料制成金属、金属合金、氧化物、碳化物等形式作为反应堆的燃料。

燃料包壳:为了防止裂变产物逸出,一般燃料都需用包壳包起来,包壳材料有铝、锆合金和不锈钢等。

控制与保护系统中的控制棒和安全棒:为了控制链式反应的速率在一个预定的水平上,需用吸收中子的材料做成吸收棒,称之为控制棒和 安全棒。控制棒用来补偿燃料消耗和调节反应速率 ;安全棒用来快速停 止链式反应。吸收体材料一般是硼、碳化硼、镉、银铟镉等。冷却系统 中的冷却剂:为了将裂变的热导出来,反应堆必须有冷却剂,常用的冷 却剂有轻水、重水、氦和液态金属钠等。

慢化系统中的慢化剂:由于慢速中子更易引起铀 -235 裂变,而中子裂变出来则是快速中子,所以有些反应堆中要放入能使中子速度减慢的 材料,就叫慢化剂,一般慢化剂有水、重水、石墨等。

反射层:反射层设在活性区四周,它可以是重水、轻水、铍、石墨或其他材料。它能把活性区内逃出的中子反射回去,减少中子的泄漏量。

屏蔽系统:反应堆周围设屏蔽层,减弱中子及 γ 剂量。

辐射监测系统:该系统能监测并及早发现放射性泄漏情况。

2.反应堆的结构形式和分类

反应堆的结构形式是千姿百态的,它根据燃料形式、冷却剂种类、

中子能量分布形式、特殊的设计需要等因素可建造成各类型结构形式的反应堆。目前世界上有大小反应堆上千座,其分类也是多种多样。按能 普分有由热能中子和快速中子引起裂变的热堆和快堆 ;按冷却剂分有轻 水堆,即普通水堆(又分为压水堆和沸水堆)、重水堆、气冷堆和钠冷堆。 按用途分有:(1)研究试验堆:是用来研究中子特性,利用中子对物理学、 生物学、辐照防护学以及材料学等方面进行研究 ;(2)生产堆,主要是生产新的易裂变的材料铀 -233、钚 -239 ;(3)动力堆,利用核裂变所产 生的热能广泛用于舰船的推进动力和核能发电。反应堆分类情况见下表。

3.研究实验反应堆

是指用作实验研究工具的反应堆,它不包括为研究发展特定堆型而建造的、本身就是研究对象的反应堆,如原型堆,零功率堆,各种模式堆等。研究实验堆的实验研究领域很广泛,包括堆物理,堆工程、生物、化学、物理、医学等,同时,还可生产各种放射性同位素和培训反应堆科学技 术人员。研究实验堆种类很多,例如:游泳池式研究实验堆:在这种堆 中水既作为慢化剂、反射层和冷却剂,又起主要屏蔽作用。因水池常做成游泳池状的长圆形而得其名。

罐式研究实验堆:由于较高的工作温度和较大的冷却剂流量只有在 加压系统中才能实现,因此,必须采取加压罐式结构。

重水研究实验堆:重水的中子吸收截面小,允许采用天然铀燃料,它的特点是临界质量较大,中子通量密度较低。如果要减小临界质量和获得高中子通量密度,就用浓缩铀来代替天然铀。

此外,还有固体慢化剂研究实验堆、均匀型研究实验堆、快中子实验堆等。

4.生产堆

主要用于生产易裂变材料或其他材料,或用来进行工业规模辐照。生产堆包括产钚堆,产氚堆和产钚产氚两用堆、同位素生产堆及大规模辐照堆,如果不是特别指明,通常所说的生产堆是指产钚堆。该堆结构简单,生产堆中的燃料元件既是燃料,又是生产钚 -239 的原料。中子来源于用天然铀制作的元件中 的U-235。U-235 裂变中子产额为 2-3 个。除维持裂变反应所需的中子外,余下的中子被U-238 吸收,即可转换成Pu-239,平均烧掉一个U-235 原子可获得0.8 个钚原子。也可以用生产堆生产热核燃料氚。用重水型生产堆生产氚要比用石墨生产堆产氚高 7 倍。

5.动力反应堆

世界上动力反应堆可分为潜艇动力堆和商用发电反应堆。核潜艇通常用压水堆作为其动力装置。商用规模的核电站用的反应堆主要有压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆和快堆等。

6、安全壳的作用

核电站里安装着原子反应堆的厂房由于要求特殊,没有窗户。

对于危险的东西,最好的办法是隔离。核电站里的危险物质就是核燃料,它是一种有放射性的物质,特别是在使用过以后,放射性更为强烈。核燃料是 被密闭在称之为燃料元件包壳的金属管内的。只要管子不破,放射性物质不会 漏到外面来,这是第一道防线。燃料元件放在反应堆的容器内,反应堆容器是 密闭的。一切相联的管道,其他各种容器也都是密闭的。这是第二道防线。整个的反应堆设备都安装在一座密闭的建筑物内,这是一座没有窗的房子,万一放射性物质冲破第一道和第二道防线外溢,这座没有窗户的房子就是最后的防线。

核电站的反应堆是一个庞然大物,容纳这样一个东西的房子必然也很大,而且必须十分坚固。设想反应堆发生了十分严重的事故,比如说发生了爆炸,这最后一道防线也决不能受到损坏。它就像一个钟罩似的,把一切危险物质或危险气体都罩在里面,不令散发到外面去。

什么结构的建筑式样最坚固呢?是球形建筑或球顶状建筑。球形的东西,如果里面产生压力,那么它所受的力是很均匀的。而且,从几何学上可以知道,球体和其他几何形状比起来,在最小的表面积之下,有着最大的容积。这就是说照这个样子建成的房子,里面可以容纳最多的设备、而所用的建筑材料最少,也最坚固。

核电站反应堆厂房就是按照这个原理设计的。由于它的主要目的是防止核电站在运行、停堆和事故期间因失去控制而将放射性物质排放到周围环境中去,因而这个没有窗的房子就专门叫做“安全壳”。

 (信息来源:中国知网)