核能科普:同样是“烧开水”,核电站烧的跟我烧的有啥不一样
发布时间:2021-05-24
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核电站里面什么样?网上有核电站是“烧开水”的说法,甚至认为核电就是“盖罩子”的原子弹……事实真是这样吗?

撰文/记者 赵天宇 编辑/刘昭

新媒体编辑/房永珍

从1954年世界上第一座核电站建成至今,核电站被认为是人类和平利用核能的典范,距今已有超过60年的历史。发展核电对保障能源供应与安全,保护环境,实现电力工业结构优化有着十分重要的意义。但另一方面,普通公众对于核电站并不了解,网上有核电站是“烧开水”的说法,甚至认为核电就是“盖罩子”的原子弹,事实情况真是这样吗?

△福清核电厂区现场(摄影/江建平 江春辉)

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裂变:核电站的基本原理

核裂变,也称为核分裂反应,是指由重的原子核(主要是指铀核或钚核)分裂成两个或多个质量较小原子的一种核反应形式。早在1938年,核裂变现象,就由德国科学家奥托·哈恩和他的助手斯特拉斯曼在实验当中发现,由此拉开了人类利用核能的序幕。

当铀235这种核素的原子核受到外来中子轰击时,一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核,同时放出2-3个中子,这些中子又去轰击另外的铀235原子核,引起新的裂变,如此循环往复,进行的就是裂变的链式反应。

链式反应最大的“优势”就是可以产生大量热能,对于现代人类而言,这种热能最直接的作用正是发电。1942年,美国科学家费米等建成世界上第一座人工核反应堆;1954年6月,苏联在莫斯科近郊奥布宁斯克,建成了世界上第一座向工业电网送电的核电站奥布宁斯克核电站。

核电站的工作原理是什么?以最常见的压水堆式核电站为例,用铀制成的核燃料,在反应堆内进行裂变并释放出大量热能;高压下的循环冷却水把热能带出,在蒸汽发生器内生成蒸汽,推动汽轮机旋转,从而产生电能。

除了压水堆核电站,目前全球范围内还有沸水堆、重水堆、高温气冷堆和快堆核电站。沸水堆只有一个回路,省去了蒸汽发生器,相对比较简单,有时候和压水堆核电站一起被称作“轻水堆”;而重水堆是以重水作慢化剂的反应堆,可以直接利用天然铀作为核燃料。

高温气冷堆产生的热量,则是由氦气冷却剂带走,具有安全性好、出口温度高等特点;快堆核电站,直接利用快中子引起链式裂变反应,具有不需要慢化剂、体积小、功率密度大等优点,是目前国际核能界最成熟也是最具发展潜力的先进堆型之一。

△快堆核电站原理图

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借助回路实现能量转换

高温气冷堆和快堆核电站,被认为是未来新一代核电站的主力技术,但目前世界上应用最广泛的主力堆型,依然是压水堆核电站。数据显示,目前全球范围内在运行的核电站共有440多座,其中大部分是轻水堆,我国投入运行并将建造的绝大多数核电站,也都是轻水堆型的。

那么,压水堆核电站是怎样工作的?它又是怎样把核能转换成为电能的?

一般而言,压水堆核电站有两个回路,其中一回路是核电站最核心的地方,相当于火电厂的锅炉,核裂变反应在这里发生以后,产生了巨大的热量,这些热量将高压水加热到300℃以上。

因为涉及放射性物质,为了确保安全,核电站所使用的核燃料,外面都会包裹着特制的燃料包壳。整个一回路系统,也被安装在一个叫安全壳的密闭厂房中,核电站图片当中的“大壳子”就是这种封闭厂房,安全壳能够在核电厂发生事故时,最大限度地保证公众和环境不受到影响。

二回路系统是汽轮发电机系统。由蒸汽系统、汽轮发电机组、凝汽器、蒸汽排放系统、给水加热系统和辅助给水系统等组成。二回路的水通过蒸汽发生器吸收了一回路蒸汽的热量,使自身变为饱和蒸汽,推动汽轮机发电,然后进入冷凝器,在冷凝器中冷却后,再通过给水泵进入蒸汽发生器。

有时候核电厂将冷凝器的冷却回路叫做三回路,这个回路利用冷却水源冷却二回路的水,三回路会将废热传到环境中。

不难发现,核电站的两个或三个回路彼此是独立运作,也是相互隔绝的,只有一回路的冷却剂中具有放射性,二三回路的水对于生态环境不会造成任何影响。

△“华龙一号”全球首堆福清核电5号机组现场(图片来源/中国核能电力股份有限公司)

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核电站就是“烧开水”吗?

长久以来,网上一直把核电站的工作原理,形象地比喻为“烧开水”。这让不少人感到意外:核能这种具有科幻感的黑科技,为何与烧开水的称呼画上了等号?

实际上,从设备上来看,核电站的反应堆,相当于火电站的锅炉。并且在具体方法上,也就是用核裂变产生的热量,将水“烧开”来推动汽轮机工作,将热能转换为电能。这与燃煤电厂通过将煤炭燃烧后产生的热能转换为电能的方法并无差异。

但从燃料的角度上来说,两者还是有本质区别的,核电主要利用的是燃料裂变能,而火电厂利用的是化学能。后者只是单纯地用煤炭或者其他化石燃料烧水,效率低、污染严重。而前者则通过核裂变反应以及回路式设计,传递热量,并且能量密度极高。

以一座发电量为100万千瓦的电站为例,如果烧煤,每天需耗煤 7000~8000吨左右,一年高达300万吨。但改用核电站,需要铀燃料量只有煤炭的270万分之一,所以每年只消耗约1.5吨铀或钚燃料,并且一次换料,可以满功率运行连续数月甚至数年。

所以用“烧开水”来形容核电站并不错误,但就是这个“烧”的过程,核电站是有很高科技含量的,对于人类利用能源而言也是一大进步。

△“华龙一号”全球首堆5号机组反应堆压力容器顺利引入(摄影/过东海)

另一方面,核电站的安全性能也很高,不可能像原子弹一样爆炸。这是因为,虽然两者的燃料相似,都含有铀235或者钚239,但它们的含量差距却是巨大的,原子弹的含量高达90%以上,所以可以释放出摧毁一座城市的巨大力量,但核电站含量仅为3%左右,犹如酒精和啤酒的差异。

此外,核电厂对选址、设计、建造、调试和运行都有严格要求,并且各个阶段的每一项具体活动,都有单项的质量保证要求,对于人员的培训也非常严格。如果遇到自然灾害等情况,核反应堆也能安全停闭,不会对当地居民和自然环境造成危害。

(本专题由北京科技报与中核集团宣传文化中心联合策划)

出品:科普中央厨房

监制:北京科技报 | 科学加客户端


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