核能科普:同樣是“燒開水”,核電站燒的跟我燒的有啥不一樣
發(fā)布時間:2021-05-24
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核電站里面什么樣?網(wǎng)上有核電站是“燒開水”的說法,甚至認為核電就是“蓋罩子”的原子彈……事實真是這樣嗎?

撰文/記者 趙天宇 編輯/劉昭

新媒體編輯/房永珍

從1954年世界上第一座核電站建成至今,核電站被認為是人類和平利用核能的典范,距今已有超過60年的歷史。發(fā)展核電對保障能源供應與安全,保護環(huán)境,實現(xiàn)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化有著十分重要的意義。但另一方面,普通公眾對于核電站并不了解,網(wǎng)上有核電站是“燒開水”的說法,甚至認為核電就是“蓋罩子”的原子彈,事實情況真是這樣嗎?

△福清核電廠區(qū)現(xiàn)場(攝影/江建平 江春輝)

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裂變:核電站的基本原理

核裂變,也稱為核分裂反應,是指由重的原子核(主要是指鈾核或钚核)分裂成兩個或多個質(zhì)量較小原子的一種核反應形式。早在1938年,核裂變現(xiàn)象,就由德國科學家奧托·哈恩和他的助手斯特拉斯曼在實驗當中發(fā)現(xiàn),由此拉開了人類利用核能的序幕。

當鈾235這種核素的原子核受到外來中子轟擊時,一個原子核會吸收一個中子分裂成兩個質(zhì)量較小的原子核,同時放出2-3個中子,這些中子又去轟擊另外的鈾235原子核,引起新的裂變,如此循環(huán)往復,進行的就是裂變的鏈式反應。

鏈式反應最大的“優(yōu)勢”就是可以產(chǎn)生大量熱能,對于現(xiàn)代人類而言,這種熱能最直接的作用正是發(fā)電。1942年,美國科學家費米等建成世界上第一座人工核反應堆;1954年6月,蘇聯(lián)在莫斯科近郊奧布寧斯克,建成了世界上第一座向工業(yè)電網(wǎng)送電的核電站奧布寧斯克核電站。

核電站的工作原理是什么?以最常見的壓水堆式核電站為例,用鈾制成的核燃料,在反應堆內(nèi)進行裂變并釋放出大量熱能;高壓下的循環(huán)冷卻水把熱能帶出,在蒸汽發(fā)生器內(nèi)生成蒸汽,推動汽輪機旋轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生電能。

除了壓水堆核電站,目前全球范圍內(nèi)還有沸水堆、重水堆、高溫氣冷堆和快堆核電站。沸水堆只有一個回路,省去了蒸汽發(fā)生器,相對比較簡單,有時候和壓水堆核電站一起被稱作“輕水堆”;而重水堆是以重水作慢化劑的反應堆,可以直接利用天然鈾作為核燃料。

高溫氣冷堆產(chǎn)生的熱量,則是由氦氣冷卻劑帶走,具有安全性好、出口溫度高等特點;快堆核電站,直接利用快中子引起鏈式裂變反應,具有不需要慢化劑、體積小、功率密度大等優(yōu)點,是目前國際核能界最成熟也是最具發(fā)展?jié)摿Φ南冗M堆型之一。

△快堆核電站原理圖

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借助回路實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換

高溫氣冷堆和快堆核電站,被認為是未來新一代核電站的主力技術(shù),但目前世界上應用最廣泛的主力堆型,依然是壓水堆核電站。數(shù)據(jù)顯示,目前全球范圍內(nèi)在運行的核電站共有440多座,其中大部分是輕水堆,我國投入運行并將建造的絕大多數(shù)核電站,也都是輕水堆型的。

那么,壓水堆核電站是怎樣工作的?它又是怎樣把核能轉(zhuǎn)換成為電能的?

一般而言,壓水堆核電站有兩個回路,其中一回路是核電站最核心的地方,相當于火電廠的鍋爐,核裂變反應在這里發(fā)生以后,產(chǎn)生了巨大的熱量,這些熱量將高壓水加熱到300℃以上。

因為涉及放射性物質(zhì),為了確保安全,核電站所使用的核燃料,外面都會包裹著特制的燃料包殼。整個一回路系統(tǒng),也被安裝在一個叫安全殼的密閉廠房中,核電站圖片當中的“大殼子”就是這種封閉廠房,安全殼能夠在核電廠發(fā)生事故時,最大限度地保證公眾和環(huán)境不受到影響。

二回路系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機系統(tǒng)。由蒸汽系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機組、凝汽器、蒸汽排放系統(tǒng)、給水加熱系統(tǒng)和輔助給水系統(tǒng)等組成。二回路的水通過蒸汽發(fā)生器吸收了一回路蒸汽的熱量,使自身變?yōu)轱柡驼羝?,推動汽輪機發(fā)電,然后進入冷凝器,在冷凝器中冷卻后,再通過給水泵進入蒸汽發(fā)生器。

有時候核電廠將冷凝器的冷卻回路叫做三回路,這個回路利用冷卻水源冷卻二回路的水,三回路會將廢熱傳到環(huán)境中。

不難發(fā)現(xiàn),核電站的兩個或三個回路彼此是獨立運作,也是相互隔絕的,只有一回路的冷卻劑中具有放射性,二三回路的水對于生態(tài)環(huán)境不會造成任何影響。

△“華龍一號”全球首堆福清核電5號機組現(xiàn)場(圖片來源/中國核能電力股份有限公司)

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核電站就是“燒開水”嗎?

長久以來,網(wǎng)上一直把核電站的工作原理,形象地比喻為“燒開水”。這讓不少人感到意外:核能這種具有科幻感的黑科技,為何與燒開水的稱呼畫上了等號?

實際上,從設備上來看,核電站的反應堆,相當于火電站的鍋爐。并且在具體方法上,也就是用核裂變產(chǎn)生的熱量,將水“燒開”來推動汽輪機工作,將熱能轉(zhuǎn)換為電能。這與燃煤電廠通過將煤炭燃燒后產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能的方法并無差異。

但從燃料的角度上來說,兩者還是有本質(zhì)區(qū)別的,核電主要利用的是燃料裂變能,而火電廠利用的是化學能。后者只是單純地用煤炭或者其他化石燃料燒水,效率低、污染嚴重。而前者則通過核裂變反應以及回路式設計,傳遞熱量,并且能量密度極高。

以一座發(fā)電量為100萬千瓦的電站為例,如果燒煤,每天需耗煤 7000~8000噸左右,一年高達300萬噸。但改用核電站,需要鈾燃料量只有煤炭的270萬分之一,所以每年只消耗約1.5噸鈾或钚燃料,并且一次換料,可以滿功率運行連續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年。

所以用“燒開水”來形容核電站并不錯誤,但就是這個“燒”的過程,核電站是有很高科技含量的,對于人類利用能源而言也是一大進步。

△“華龍一號”全球首堆5號機組反應堆壓力容器順利引入(攝影/過東海)

另一方面,核電站的安全性能也很高,不可能像原子彈一樣爆炸。這是因為,雖然兩者的燃料相似,都含有鈾235或者钚239,但它們的含量差距卻是巨大的,原子彈的含量高達90%以上,所以可以釋放出摧毀一座城市的巨大力量,但核電站含量僅為3%左右,猶如酒精和啤酒的差異。

此外,核電廠對選址、設計、建造、調(diào)試和運行都有嚴格要求,并且各個階段的每一項具體活動,都有單項的質(zhì)量保證要求,對于人員的培訓也非常嚴格。如果遇到自然災害等情況,核反應堆也能安全停閉,不會對當?shù)鼐用窈妥匀画h(huán)境造成危害。

(本專題由北京科技報與中核集團宣傳文化中心聯(lián)合策劃)

出品:科普中央廚房

監(jiān)制:北京科技報 | 科學加客戶端


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