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行業新聞

核反應堆的工作原理

2016/12/7 14:55:53

核裂變


當一個原子數較高的核子(例如U-235或Pu-239)吸收一個中子時會形成一個激發態的核子,然后裂變為兩個或更多個輕核。釋放出的動能、伽瑪射線和若干個中子,統稱為裂變產物。其中有些中子可能被下一個重核吸收,引發下一個裂變反應,釋放出更多的中子,依此類推,這個反應就是鏈式反應。但是動量太高的中子不容易被重核吸收,需要慢化劑來減速中子。而太多中子會使反應過快失去控制,可以用一些對中子吸收截面較大的核素來吸收中子抑制鏈式反應。通過中子減速劑與吸收劑,來增加和降低反應速率以控制反應堆的輸出功率。

一般常用的中子慢化劑有輕水(即H2O)(世界上75%的反應堆用水做慢化劑),固體石墨(20%)(切爾諾貝利電廠為著名的例子)和重水(即D2O)(5%)。在一些實驗堆中,甲烷和Be也被用來做慢化劑。

熱能的產生

在反應堆里,熱能主要有以下幾個來源:

1.反應碎片通過和周圍原子的碰撞,把自身的動能傳遞給周圍的原子。

2.裂變反應產生的伽瑪射線被反應堆吸收,轉化為熱能。

3.反應堆的一些材料在中子的照射下被活化,產生一些放射性的元素。這些元素的衰變能轉化為熱能。這種衰變熱會在反應堆關閉后仍然存在一段時間。

4.1千克U235完全裂變得到的熱能等于3千噸煤燃燒所釋放的能量。

冷卻

在反應堆里,一般用水做冷卻劑(輕水或重水),也有用氣體或融鹽的。冷卻劑通過泵浦在堆芯里循環流動,同時把通過裂變產生的熱傳遞出來。一般的反應堆的冷卻系統和熱機是分開的,例如壓水堆。也有的反應堆,蒸氣是由反應堆直接加熱得到的,例如沸水堆。
反應堆控制


 反應堆的輸出功率,或者說反應率,是通過控制堆芯內的中子密度和能量來控制的。

控制棒由中子強吸收材料做成。如果有很多的中子被控制棒吸收,就意味著就少一些中子引發鏈式反應。因此,把控制棒插入堆芯,將會減慢反應速率,降低輸出功率。相反,將控制棒抽出,鏈式反應的速率將會增加,輸出功率也會增加。

在一些反應堆里,冷卻劑同時也起慢化的作用。慢化劑通過和快中子的碰撞,吸收中子的能量,使快中子能量降低,成為熱中子。而熱中子引發核反應的截面更大些。因此慢化劑密度高,將會增加反應堆的功率輸出。而溫度高,冷卻劑的密度會降低,慢化作用降低,反應速率下降。另一些反應堆里,冷卻劑會吸收中子,起到控制棒的作用。在這些反應堆里,可以通過加熱冷卻劑來提高反應堆的功率。

反應堆都有自動和手動的系統來防止意外事件的發生,當出現意外事件時,將有大量的中子強吸收材料注入,使反應堆關閉。

發電

由鏈式反應釋放出的能量通過冷卻劑傳導出來,加熱水,產生蒸氣,推動發電機發電。

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