加载中…
个人资料
网页图书馆
网页图书馆
  • 博客等级:
  • 博客积分:0
  • 博客访问:362,956
  • 关注人气:155
  • 获赠金笔:0支
  • 赠出金笔:0支
  • 荣誉徽章:
相关博文
推荐博文
谁看过这篇博文
加载中…
正文 字体大小:

核能利用与核电站(六)

(2018-12-12 08:49:08)
标签:

高温气冷堆

重水堆

沸水堆

压水堆

阿波罗

分类: 前沿科技

核电池和阿波罗飞船

1969年7月21日,人类第一次成功地登上月球,使用的是阿波罗11号飞船在月球表面的“静海区”着陆之后,进行了一系列科学实验,例如采集岩石样品测定太阳风等等很多人或许还能记得,当时人们都在屏住呼吸从电视屏幕上观看人类第一次登上月球的情景,观看船长阿姆斯特隆和飞行员奥德林在月面上手舞足蹈的动人场面

在阿波罗11号飞船上,安装了两个放射性同位素装置,其热功率为15瓦,用的燃料为钚-238

但是,阿波罗11号上的放射性同位素装置是供飞船在月面上过夜时取暖用的,也就是说它仅仅用于提供热源所以,该装置又叫做ALRH(Apolo Lunar RI Heater)装置,意思是阿波罗在月球上用的放射性同位素发热器

但是,在后来发射的用于探索月面的阿波罗宇宙飞船上,安装的放射性同位素装置全部是为了发电用的这就是SNAP-27A装置它用的燃料是钚-238,设计的电输出功率为63.5瓦,整个装置重量为31千克,设计寿命为一年主要是用于阿波罗月面探查的一系列科学实验

月球上的一天等于地球上的27天黑夜的时间占一半,一夜约为地球上的两周太阳电池在黑夜期间完全停止工作与此同时,处于背阳的月面,其温度会急剧下降好几百度,从酷热一下变成了严寒的世界为了使卫星上的地震仪磁场仪以及其它机械能正常工作,必须利用余热进行保温

在阿波罗12号飞船上首次装载的放射性同位素电池——SNAP-27A装置,其寿命远远超过设计时考虑的一年,并能连续供给70瓦以上的电力,完全符合预期的设计要求由于这一实验获得成功.后来在1970年发射的阿波罗14号以及随后的阿彼罗15号16号17号等飞船上都相继安装了SNAP-27A装置

探索木星卫星

就在阿波罗飞船上首次装载放射性同位素电池的前后时间里,在气象卫星雨云号上也安装了放射性同位素电池这种气象卫星环绕地球周围的轨道飞行,可以用来拍摄云图,或者对大气层和地球表面的地形进行勘察和调查

又过了三四年之后,发射了两颗探查木星的卫星一先驱号,在其上面装置了四个30瓦的放射性同位素电池这两颗先驱号卫星要从火星旁边飞过,并穿过小行星群的地带,再直飞木星到了1976年,火星的卫星飞船“海盗号”在火星表面成功地进行了无人着陆,在这个卫星船上也安置了两个35瓦的放射性同位素电池

人造卫星一经发射,便飞到很遥远的地球外围空间,所以,放射性同位素电池很适合在人造卫星上使用同样像南极和北极这样的偏僻地带,人们很难到达,在那里设置的气象观测站或者航海浮标等设备上,使用放射性同位素电池也是非常理想的

不过,由于两者的使用对象不同,这两种放射性同位素电池在重量上具有明显的差别对人造卫星来说,一切部件部要轻量化是极其重要的因此,作为放射性同位素电池的燃料,要求使用放出α射线的钚-238因为, α射线在其周围物质中能够立即转化成热能根本不需要什么沉重的屏蔽材料

美国能源部正在设计一套放射性同位素的能源装置,可供星际飞行使用火星以外的阳光已经变得很弱,太阳能电池不敷应用该装置能产生100瓦电力,用钚238作燃料,钚被包在陶制小球内,外表有石墨和铱保护壳这种装置实际上是微型的核反应堆,可能首先被采用于美国的“冥王星快车(PlutoExpress)探测器该探测器于2002年发射,到2014年发回太阳系这颗离太阳最远的行星及其卫星的照片

但是,在陆地上使用的放射性同位素电池,即使重量大一些也没有关系在选择燃料时,可以根据经济性以及其它因素作全面考虑因此,在偏僻地区使用的放射性同位素电池,可以选用锶-90作为燃料-90可以从核电站的放射性废物中提取,它是废物处理中一个很难对付的核素所以,用锶-90来发电也是对废物的一种综合利用

-90放出β射线,β射线也能在其周围物质中立即转化成热能但是,与此同时,它会放出类似于X射线的次级射线这种次级射线也是很讨厌的,必须用10厘米厚的铅才能把它屏蔽住如果用铁来屏蔽的话,差不多要20厘米厚才行此,这种发电装置显得十分沉重

热堆的概念

中子打入铀-235的原于核以后,原子核就变得不稳定,会分裂成两个较小质量的新原子核,这是核的裂变反应,放出的能量叫裂变能;产生巨大能量的同时,还会放出2?3个中子和其它射线

这些中子再打入别的铀-235核,引起新的核裂变,新的裂变又产生新的中子和裂变能,如此不断持续下去,就形成了链式反应

利用原子核反应原理建造的反应堆需将裂变时释放出的中子减速后,再引起新的核裂变,由于中子的运动速度与分子的热运动达到平衡状态,这种中子被称为热中子堆内主要由热中子引起裂变的反应堆叫做热中子反应堆(简称热堆)

热中子反应堆,它是用慢化剂把快中子速度降低,使之成为热中子(或称慢中子),再利用热中子来进行链式反应的一种装置由于热中子更容易引起铀-235等裂变,这样,用少量裂变物质就可获得链式裂变反应慢化剂是一些含轻元素而又吸收中子少的物质,如重水石墨水等热中子堆一般都是把燃料元件有规则地排列在慢化剂中,组成堆芯链式反应就是在堆芯中进行的

反应堆必须用冷却剂把裂变能带出堆芯冷却剂也是吸收中子很少的物质热中子堆最常用的冷却剂是轻水(普通水)重水二氧化碳和氦气

核电站的内部它通常由一回路系统和二回路系统组成反应堆是核电站的核心反应堆工作时放出的热能,由一回路系统的冷却剂带出,用以产生蒸汽因此,整个一回路系统被称为“核供汽系统”,它相当于火电厂的锅炉系统为了确保安全,整个一回路系统装在一个被称为安全壳的密闭厂房内,这样,无论在正常运行或发生事故时都不会影响安全由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统,与火电厂的汽轮发电机系统基本相同

轻水堆——压水堆电站

自从核电站问世以来,在工业上成熟的发电堆主要有以下三种:轻水堆重水堆和石墨汽冷堆它们相应地被用到三种不同的核电站中,形成了现代核发电的主体

目前,热中子堆中的大多数是用轻水慢化和冷却的所谓轻水堆轻水堆又分为压水堆和沸水堆

压水堆核电站压水堆核电站的一回路系统与二回路系统完全隔开,它是一个密闭的循环系统该核电站的原理流程为:主泵将高压冷却剂送入反应堆,一般冷却剂保持在120?160个大气压在高压情况下,冷却剂的温度即使300多也不会汽化冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆,并进入蒸汽发生器,通过数以千计的传热管,把热量传给管外的二回路水,使水沸腾产生蒸汽;冷却剂流经蒸汽发生器后,再由主泵送入反应堆,这样来回循环,不断地把反应堆中的热量带出并转换产生蒸汽从蒸汽发生器出来的高温高压蒸汽,推动汽轮发电机组发电做过功的废汽在冷凝器中凝结成水,再由凝结给水泵送入加热器,重新加热后送回蒸汽发生器这就是二回路循环系统

压水堆由压力容器和堆芯两部分组成压力容器是一个密封的又厚又重的高达数十米的圆筒形大钢壳,所用的钢材耐高温高压耐腐蚀,用来推动汽轮机转动的高温高压蒸汽就在这里产生的在容器的顶部设置有控制棒驱动机构,用以驱动控制棒在堆芯内上下移动

堆芯是反应堆的心脏,装在压力容器中间它是燃料组件构成的正如锅炉烧的煤块一样,燃料芯块是核电站“原子锅炉”燃烧的基本单元这种芯块是由二氧化铀烧结而成的,含有2?4%的铀-235,呈小圆柱形,直径为9.3毫米把这种芯块装在两端密封的锆合金包壳管中,成为一根长约4米直径约10毫米的燃料元件棒200多根燃料棒按正方形排列,用定位格架固定,组成燃料组件每个堆芯一般由121个到193个组件组成这样,一座压水堆所需燃料棒几万根,二氧化铀芯块1千多万块堆芯此外,这种反应堆的堆芯还有控制棒和含硼的冷却水(冷却剂)控制棒用银铟镉材料制成,外面套有不锈钢包壳,可以吸收反应堆中的中子,它的粗细与燃料棒差不多把多根控制棒组成棒束型,用来控制反应堆核反应的快慢如果反应堆发生故障,立即把足够多的控制棒插入堆芯,在很短时间内反应堆就会停止工作,这就保证了反应堆运行的安全

轻水堆——沸水堆电站

沸水堆核电站工作流程是:冷却剂(水)从堆芯下部流进,在沿堆芯上升的过程中,从燃料棒那里得到了热量,使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物,经过汽水分离器和蒸汽干燥器,将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电

沸水堆是由压力容器及其中间的燃料元件十字形控制棒和汽水分离器等组成汽水分离器在堆芯的上部,它的作用是把蒸汽和水滴分开防止水进入汽轮机,造成汽轮机叶片损坏沸水堆所用的燃料和燃料组件与压水堆相同沸腾水既作慢化剂又作冷却剂

沸水堆与压水堆不同之处在于冷却水保持在较低的压力(约为70个大气压)下,水通过堆芯变成约285的蒸汽,并直接被引入汽轮机所以,沸水堆只有一个回路,省去了容易发生泄漏的蒸汽发生器,因而显得很简单

总之,轻水堆核电站的最大优点是结构和运行都比较简单,尺寸较小,造价也低廉,燃料也比较经济,具有良好的安全性可靠性与经济性它的缺点是必须使用低浓铀,目前采用轻水堆的国家,在核燃料供应上大多依赖美国和独联体此外,轻水堆对天然铀的利用率低如果系列地发展轻水堆要比系列地发展重水堆多用天然铀50%以上

从维修来看,压水堆因为一回路和蒸汽系统分开,汽轮机未受放射性的沾污,所以,容易维修而沸水堆是堆内产生的蒸汽直接进入汽轮机,这样,汽轮机会受到放射性的沾污,所以在这方面的设计与维修都比压水堆要麻烦一些

重水堆核电站

重水堆按其结构型式可分为压力壳式和压力管式两种压力壳式的冷却剂只用重水,它的内部结构材料比压力管式少,但中子经济性好,生成新燃料钚-239的净产量比较高这种堆一般用天然铀作燃料,结构类似压水堆,但因栅格节距大,压力壳比同样功率的压水堆要大得多,因此单堆功率最大只能做到30万千瓦

因为管式重水堆的冷却剂不受限制,可用重水轻水气体或有机化合物它的尺寸也不受限制,虽然压力管带来了伴生吸收中子损失,但由于堆芯大,可使中子的泄漏损失减小此外,这种堆便于实行不停堆装卸和连续换料,可省去补偿燃耗的控制棒

压力管式重水堆主要包括重水慢化重水冷却和重水慢化沸腾轻水冷却两种反应堆这两种堆的结构大致相同

重水慢化,重水冷却堆核电站这种反应堆的反应堆容器不承受压力重水慢化剂充满反应堆容器,有许多容器管贯穿反应堆容器,并与其成为一体在容器管中,放有锆合金制的压力管用天然二氧化铀制成的芯块,被装到燃料棒的锆合金包壳管中,然后再组成短棒束型燃料元件棒束元件就放在压力管中,它借助支承垫可在水平的压力管中来回滑动在反应堆的两端,各设置有一座遥控定位的装卸料机,可在反应堆运行期间连续地装卸燃料元件

这种核电站的发电原理是:既作慢化剂又作冷却剂的重水,在压力管中流动,冷却燃料像压水堆那样,为了不使重水沸腾,必须保持在高压(约90大气压)状态下这样,流过压力管的高温(约300)高压的重水,把裂变产生的热量带出堆芯,在蒸汽发生器内传给二回路的轻水,以产生蒸汽,带动汽轮发电机组发电

重水慢化沸腾轻水冷却堆核电站这种堆是英国在坝杜堆(重水慢化重水冷却堆)的基础上发展起来的加拿大所设计的重水慢化重水冷却反应堆的容器和压力管都是水平布置的而重水慢化沸腾轻水冷却反应堆都是垂直布置的它的燃料管道内流动的轻水冷却剂,在堆芯内上升的过程中,引起沸腾,所产生的蒸汽直接送进汽轮机,并带动发电机

因为轻水比重水吸收中子多,堆芯用天然铀作燃料就很难维持稳定的核反应,所以,大多数设计都在燃料中加入了低浓度的铀-235或钚-239

重水堆的突出优点是能最有效地利用天然铀由于重水慢化性能好,吸收中子少,这不仅可直接用天然铀作燃料,而且燃料烧得比较透重水堆比轻水堆消耗天然铀的量要少,如果采用低浓度铀,可节省天然铀38%在各种热中子堆中,重水堆需要的天然铀量最小此外,重水堆对燃料的适应性强,能很容易地改用另一种核燃料它的主要缺点是,体积比轻水堆大建造费用高,重水昂贵,发电成本也比较高

石墨气冷堆核电站

所谓石墨气冷堆就是以气体(二氧化碳或氦气)作为冷却剂的反应堆这种堆经历了三个发展阶段,产生了三种堆型:天然铀石墨气冷堆改进型气冷堆和高温气冷堆

(1)天然铀石墨气冷堆核电站

天然铀石墨气冷堆实际上是天然铀作燃料,石墨作慢化剂,二氧化碳作冷却剂的反应堆这种反应堆是英法两国为商用发电建造的堆型之是在军用钚生产堆的基础上发展起来的,早在1956年英国就建造了净功率为45兆瓦的核电站因为它是用镁合金作燃料包壳的,人又把它称为镁诺克斯堆

该堆的堆芯大致为圆柱形,是由很多正六角形棱柱的石墨砌而成在石墨砌体中有许多装有燃料元件的孔道以便却剂流过将热量带出去从堆芯出来的热气体,在蒸汽发中将热量传给二回路的水,从而产生蒸汽这些冷却气体循环回路回到堆芯蒸汽发生器产生的蒸汽被送到汽轮带动汽轮发电机组发电这就是天然铀石墨气冷堆核电站单工作原理

这种堆的主要优点是用天然铀作燃料,其缺点是功率密度体积大装料多造价高,天然铀消耗量远远大于其他堆法两国都停止建造这种堆型的核电站

改进型气冷堆核电站改进型气冷堆是在天然铀石墨气冷堆的基础上发展起来的设计的目的是改进蒸汽条件,提高气体冷却剂的最大允许温度这种堆,石墨仍然为慢化剂,二氧化碳为冷却剂,核燃料用的是低浓度铀(铀-235的浓度为2—3%),出口温度可达670它的蒸汽条件达到了新型火电站的标准,其热效率也可与之相比这种堆被称为第二代气冷堆,英国建造了这种堆,由于存在不少工程技术问题,对其经济性多年来争论不休,得不出定论,所以前途暗淡

高温气冷堆高温气冷堆被称为第三代气冷堆,它是石墨作为慢化剂,氦气作为冷却剂的堆

这里所说的高温是指气体的温度达到了较高的程度因为在这种反应堆中,采用了陶瓷燃料和耐高温的石墨结构材料,并用了惰性的氦气作冷却剂,这样,就把气体的温度提高到750以上同时,由于结构材料石墨吸收中子少,从而加深了燃耗另外,由于颗粒状燃料的表面积大氦气的传热性好和堆芯材料耐高温,所以改善了传热性能,提高了功率密度这样,高温气冷堆成为一种高温深燃耗和高功率密度的堆型

它的简单工作过程是,氦气冷却剂流过燃料体之间,变成了高温气体;高温气体通过蒸汽发生器产生蒸汽,蒸汽带动汽轮发电机发电

高温气冷堆有特殊的优点:由于氦气是惰性气体,因而它不能被活化,在高温下也不腐蚀设备和管道;由于石墨的热容量大,所以发生事故时不会引起温度的迅速增加;由于用混凝土做成压力壳,这样,反应堆没有突然破裂的危险,大大增加了安全性;由于热效率达到40%以上,这样高的热效率减少了热污染

高温气冷堆有可能为钢铁燃料化工等工业部门提供高温热能,实现氢还原炼铁石油和天然气裂解煤的气化等新工艺,开辟综合利用核能的新途径但是高温气冷堆技术较复杂

0

阅读 评论 收藏 转载 喜欢 打印举报/Report
  • 评论加载中,请稍候...
发评论

    发评论

    以上网友发言只代表其个人观点,不代表新浪网的观点或立场。

      

    新浪BLOG意见反馈留言板 电话:4000520066 提示音后按1键(按当地市话标准计费) 欢迎批评指正

    新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑

    新浪公司 版权所有