核电站工作原理

发布时间:2020-05-10 08:43 编辑:西极电力网

核电站工作原理
       核电站(nuclear power plant)是利用核裂变(Nuclear Fission)或核聚变(Nuclear Fusion)反应所释放的的能量产生电能的发电厂。目前商业运转中的核能发电厂都是利用核裂变反应而发电。核电站一般分为两部分:利用原子核裂变生产蒸汽的核岛(包括反应堆装置和一回路系统)和利用蒸汽发电的常规岛(包括汽轮发电机系统),使用的燃料一般是放射性重金属:铀、钚。

1“铀”发裂变

如果除去核反应堆,核电站和火电站除了生成蒸汽的热源不同外,差异很少。

而建造一个核反应堆需要一种特别的铀。 铀是地球上一种相当普通的元素,在地球形成时就存在于这个行星中了。而最有价值的,是铀-235。

虽然,铀-235占据了所有铀存量中的0.7%,但它有一个奇特的特性,那就是:它是少数能够诱发裂变的物质之一。它既可以用于核能发电,也可以用于制造核弹。

除了铀-235之外,核电站的另一种燃料就是:钚-239。钚-239可以使用中子轰击铀-238而得到———这是核反应堆中时时刻刻发生着的事。

铀-235原子捕捉一个正在穿过的中子的概率非常高。

在正常工作的核反应堆中(称为临界状态),每次裂变释放出的中子都会导致另一次裂变的发生。而,铀-235原子捕捉中子并发生分解的过程非常迅速,单位以皮秒计算(1皮秒=一万亿分之一秒)。

当单个原子分解时,会有巨大的能量通过热和伽马辐射的形式释放出来。

所有核电站反应堆的基本原理都是利用核裂变反应,对水进行加热并将其转化为蒸汽。再用蒸汽推动蒸汽轮机,而蒸汽轮机则带动发电机来发电。

2密闭结构里的反应

通常,铀被制作成直径相当于一枚硬币大小、长度为2.5厘米左右的燃料元件。燃料元件被安装到长燃料棒中,燃料棒又被组装成燃料组件。

燃料组件通常被浸泡在压力容器中,容器中的水起冷却作用。

为使反应堆工作,浸泡在水中的燃料组件必须处于稍微超临界的状态。这意味着,如果没有其他设备,铀最终将会过热并熔化。

为防止这种情况出现,由吸收中子的材料制成的控制棒通过升降装置插入到燃料组件中,操作员通过升降控制棒来控制核反应的程度。

当操作员希望铀堆芯产生更多的热量时,可将控制棒从铀燃料组件中升起。要使热量减少,则降低控制棒以插入到铀燃料组件中。在发生事故或者更换燃料时,控制棒还能被完全插入铀燃料组件中以关闭核反应堆。

铀燃料组件是一个能够产生极高能量的热源,它加热水并将其转化为蒸汽。蒸汽推动蒸汽轮机,而汽轮机则带动发电机来发电。

在某些反应堆中,反应堆产生的蒸汽通过二级中介热交换装置,将另一个回路的水加热为蒸汽来转动汽轮机。这种设计的好处是:放射性的水或者水蒸气不会接触到汽轮机。

同样,在某些反应堆中,与反应堆堆芯接触的冷却流体是气体(如二氧化碳)或者液态金属(如钠或钾),这种类型的反应堆允许堆芯在更高的温度下工作。 反应堆的压力容器通常被放置在一个用作辐射防护的混凝土衬里内。

这个衬里被安装在一个更大的钢制密闭容器中,这个容器中有反应堆堆芯以及供工作人员维护反应堆的硬件设施(吊车等),容器的作用是防止放射性气体或液体泄漏。

最后,这个密闭容器被外部的混凝土建筑保护,它的强度能够承受喷气式飞机的撞击。这些二级密闭结构对防范如在三里岛事故中那样的辐射或放射性蒸汽的泄漏是必要的。

前苏联的核电站中由于没有二级密闭结构,最终导致了切尔诺贝利核电站事故。

中国核电站分布

中国大陆现有的核电站


当今的技术

现今正在运营的核反应堆可依裂变的方式区分为两大类,各类中又可依控制裂变的手段区分为数个子类别:

核裂变反应堆通过受控制的核裂变来获取核能,所获核能以热量为形式从核燃料中释出。现行核电站所用的全为核裂变反应堆,这也是本段的主述内容。核裂变反应堆的输出功率为可调。核裂变反应堆也可依世代分类,比如说第一、第二和第三代核反应堆。现在的标准核反应堆都为压水式核反应堆(PWR)。

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