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核能利用与核电站(七)

(2018-12-22 08:59:08)
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聚变

同位素

快堆

863计划

链式反应

分类: 前沿科技

快堆概念

尽管利用热中子反应堆可以得到巨大的核能,但是,在天然铀中,仅有0.714%的铀同位素——铀-235,能够在热中子的作用下发生裂变反应,而占天然铀绝大部分的铀同素——铀-238却不能在热中子的作用下发生裂变反应,但铀-238在吸收中子后,经过几次核衰变,可以变成另—种可裂变的核材料钚-239在热中子反应堆中,产生的钚-239的数量不足以抵偿消耗的铀-235只有利用快中子来维持链式反应,使新产生的可裂变材料多于消耗的裂变材料这种主要由快中子来引起裂变链式反应的反应堆,叫做快中子反应堆(简称快堆)

快堆中常用的核燃料是钚-239,而钚-239发生裂变时放出来的快中子会被装在反应区周围的铀-238吸收,又变成钚-239这就是说,在堆中一边消耗钚-239,又一边使铀-238转变成新的钚-239,而是新生的钚-239比消耗掉的还多,从而使堆中核燃料变多。

世界上可经济开采的铀资源只相当于世界石油贮量的1/4因此,利用原先的热中子反应堆发电无法根本解决人类无限需求的能源问题且这种热堆,在铀资源的利用上极差,只有12%可以用来发电,而其余的9899%的铀只能被作为废料一贫铀弃置。

这样,在原子能工业中我们需要找到新的办法来解决这个问题其中一个方法是,充分利用贫铀;另一个方法是,根本不用铀。

在热中子反应堆内,中子的速度要通过慢化剂减速变慢以后,才能引起铀裂变放出能量,发电时,核燃料越烧越少快中子反应堆不需要慢化剂,它由快中子引发裂变,在发电的同时,核燃料越烧越多。

快堆增大核燃料利用率。

理论上快堆可以将铀-238-235及钚-239全部加以利用但由于反复后处理时的燃料损失及在反应堆内变成其他种类的原子核,快堆只能使6070%的铀得到利用即使如此,也比目前热堆中的压水堆对铀的利用率高140,比重水堆高70倍以上然而由于贫铀乏燃料低品位铀矿乃至海水里的铀,都是快堆的“粮食”来源,所以快堆能为人类提供的能源,就不是比热中子反应堆大几十倍,而是大几千倍,几万倍,甚至更多。

由于在快堆内钚-239裂变后放出的中子比铀-235,所以快堆内最好用钚-239作为核燃料如果没有足够的钚,可以用铀-235浓缩度为15%20%的浓缩铀代替但是最经济合理的办法,还是利用热中子反应堆中积累的工业钚热中子堆卸料时,乏燃料中也积累了一部分钚但由于热中子反应堆核电站内,核燃料元件的燃耗比生产核武器装料用的生产堆的燃耗深,所以钚中含有20%30%的钚-240,这种钚称为工业钚这种钚也可以在热中子反应堆内利用在热中子堆内,1千克钚只相当0.8千克铀-235,而在快堆内,1千克钚可相当于1.4千克铀-235所以在快堆内使用热中子堆积累的工业钚,比在热中子堆内使用要合算得多;在目前的核电站中,由于重水堆消耗的核燃料少,积累的工业钚多,所以用重水堆为快堆积累工业钚,也就是建立重水堆一快堆组合体系,从核燃料循环的角度看来,最为有利。

由于只要不断添加铀-238,快堆中有多余的钚-239能不断产生出来,所以只要将这些新产生出来的核燃料,通过后处理不断提取出来,则快堆核电站每过一段时间,它所得到的钚-239,还可以装备一座相同规模的快堆这段时间称为倍增时间倍增时间除了决定于反应堆内钚-239的生成速度外,还决定于后处理提取钚,并将钚制成燃料元件所需的时间,以及库存时间。

经过一段倍增时间,1座快堆会变成2座快堆,再经过一段倍增时间,2座快堆就变成4座按照目前的情况快堆使用的核燃料多为氧化物,它的倍增时间是30多年也就是说,只要添加铀-238,每过30多年,快堆核电站就可翻一番只要这种氧化物核燃料快堆稍加改进,倍增时间就可缩短到20年左右如果我们将快堆的核燃料由氧化物改为碳化物,则快堆的倍增时间可以缩短到10多年如果改为金属型核燃料,则倍增时间还可缩短到67年。

快堆与原子弹的区别

原子弹和作为核电站用的快堆,虽然都没有慢化剂,而且都是用快中子引发裂变,但有一系列原则上的差别:

第一,原子弹使用钚或高浓铀,-238的量没有或者很少而快堆中铀-238很多铀-238俘获中子后大多不会裂变,它要转化为钚-239后才易裂变经过这道转换后,作为核电站用的快堆的能量释放速度,就受到极大限制。

第二,原子弹内与裂变无关的材料少而快堆为了维持长期运行,并将堆内原子核裂变产生的热送出来,堆内有大量的结构材料和冷却剂它们的存在既增加了中子的吸收,又使中子的速度有一定程度的慢化,延长了中子存在时间这是限制核电站用的快堆功率增长速度的另一个因素。

第三,原子弹采用高效炸药的聚心爆炸,使核燃料很快密集在一起,将链式反应的规模急剧扩大,也就是我们说的达到瞬发超临界状态;而作为核电站用的快堆,只要一达到瞬发临界,堆芯很快就会散开,难以维持链式反应目前的控制手段,已可以保证快堆不至于达到瞬发临界。

第四,原子弹的装料超过维持链式反应所需的量多,而快堆的装料仅仅稍微多于维持链式反应的需要,并有负反馈效应一有抑制作用的效应。

由于这些原因,快堆不可能像原子弹那样爆炸为了进一步说明问题,我们所谓热中子是指能量为1电子伏以下的中子铀-235吸收中子裂变时,放出的中子是能量为2兆电子伏特的快中子在热中子堆中,几乎所有的裂变都是由热中子引起的为了实现链式反应有两种方法:其一是提高铀中铀-235的浓度,使快中子引起的裂变能持续进行下去,这就是快中子堆的原理;另一种方法是用水石墨等作慢化剂,把快中子慢化为热中子铀-235对热中子的裂变几率大,对低浓度铀也可使裂变反应继续进行下去,这就是热中子反应堆的原理。

在新的世纪,原子能院将以中国实验快堆中国先进研究堆串列加速器升级工程和放化后处理实验室四大工程为支柱,发挥多学科的综合优势,建成一流的核科研基地。

快堆中间回路及增殖比

对热中子堆核电站,就铀资源的利用而言,主要是利用天然铀中约占0.7%的铀-235,其余,99.3%的铀-238大部分不能被利用而快中子堆可以充分利用铀-238把它的利用率从l2%提高到6070%-238吸收一个中子变成钚-2391克钚-239裂变时发出的热量相当于3吨煤的热量世界铀矿储量约为460万吨,可换算成138,000亿吨煤目前,全世界已探明煤的储量为6,630亿吨所以,快中子堆充分利用这些铀资源,就相当于目前已知煤储量的21.8倍。

目前,各国发展的主要是用铀钚混合氧化物作燃料,用液态钠作冷却剂的快中子增殖堆它的简单工作过程是:堆内产生的热量由液态钠载出,送给中间热交换器在中间热交换器中,一回路钠把热量传给中间回路钠,中间回路钠进入蒸汽发生器,将蒸汽发生器中的水变成蒸汽蒸汽驱动汽轮发电机组。

中间回路把一回路和二回路分开这是为了防止由于钠水剧烈反应使水从蒸汽发生器漏入堆芯,与堆芯钠起激烈的化学反应,直接危及反应堆,造成反应堆破坏事故同时,也是为了避免发生事故时,堆内受高通量快中子辐照的放射性很强的钠扩散到外部。

快堆可以增殖核燃料,也就是说会越烧越多我们知道,-235一次裂变可放出2.43个快中子,-239可放出3个快中子;维持链式反应只有一个中子就够了,余下的1.43个中子可让铀-238吸收,使大部分的铀-238变成钚-239,其中一小部分中子引起了铀-238裂变如果余下的中子全部被铀-238吸收,那么,每发生一次核裂变,就可产生一个以上新的核燃料一钚-239当这种新产生的核燃料与所消耗的核燃料之比值大于1,就称为增殖,其比值称为增殖比如果这个比值低于1,就称为转换比对热中子堆,浪费中子较多,这个比值不可能大于1,一般,对气冷堆约为0.8,对轻水堆约为0.5,而快堆的增殖比在1.11.4之间。

快堆的优点和难点

快堆主要有以下优点:

(1)快堆不仅把铀资源的有效利用率增大数十倍,而且也将铀资源本身扩大几百倍以上因为,一旦大量使用快堆,目前认为开采价值不大的铀矿便具有开采价值这样,快堆的利用就可能为人类提供极其丰富的能源。

(2)快堆核电站是热中子堆核电站最好的继续核工业的发展堆积了大量的贫铀(含铀-235很少的铀-238),快堆消耗的正是贫铀用贫铀来发电,同时还增殖燃料,实在是一举多得的好事热中子堆核电站发展到一定水平时,及时地引入快堆核电站,利用快堆来增殖核燃料,这是一个很必然的发展计划。

(3)快堆核电站具有良好的经济前景因为它具有增殖核燃料的突出优点,所以发电成本在燃料价格上涨的情况下,仍能保持较低的水乎据估计,石油价格上涨100%,油电站发电成本增加60%;天然铀价格上涨100%,轻水堆核电站发电成本增加5%,而快堆的发电成本只增加0.25%

在快堆中,由于快中子与核燃料中的原子核相互作用引起裂变的可能性要比热中子小得多,为了使链式反应能继续进行下去,所用核燃料的浓度(一般为1230%)要比热中子堆的高,装料量也大得多快堆活性区单位体积所含核燃料比热中子堆大得多,它的功率密度比热中子堆大几倍,一般每升为400千瓦左右这样高的功率密度,要把热量从堆内取出加以应用,这在技术上是比较复杂的快堆不能用水作冷却剂,而普遍采用液态金属钠把热量带出来此外,快堆用的燃料元件的加工制造要比热中子堆复杂得多和困难得多,随之而来的制造费用高昂同时,快堆的控制就是控制中子的作用,由于快堆内快中子寿命短,钚的缓发中子份额小,这就使得问题复杂多了并且,对反应堆的操作系统保护的要求也很严格。

快堆经济性有待验证。

目前快堆的主要问题是验证其经济性只有当快堆在经济上可以与目前的压水堆竞争时,快堆才有可能大规模进入市场。

据估计,法国超风凰快堆每千瓦的基建投资,是最先进的145万千瓦的压水堆的3倍多,运行费与核燃料费也比压水堆略高所以超凤凰的发电成本是压水堆的2.5倍。

法国英国德国合作设计了150万千瓦的欧洲快堆欧洲快堆的功率比超凤凰快堆的功率加大了,不锈钢等材料的用量大大减少,一些设备也简化了因此欧洲快堆每千瓦的单位投资,只是法国最先进的压水堆的2,运行费也有所降低,燃料费则比压水堆少,因此总的发电成本是压水堆的1.45倍今后,由于欧洲快堆的成批建造,每千瓦的基建投资只是压水堆的1.26,核燃料费大约是压水堆的一半,因而总的发电成本只比压水堆贵3%,已经在计算的误差范围以内。

独联体在60万千瓦快堆电站取得成功的基础上建造了80万千瓦的快堆电站,九十年代在此基础上,发展160万干瓦的快堆电站日本1992年建成30万千瓦的示范快堆,在此以后,又建造一系列大型快堆日本的快堆也将在经济上取得与压水堆竞争的地位。

由于快堆技术的进一步成熟和完善,由于快堆成批建造费用的降低,也由于石油价格的上涨导致的天然铀价格的上涨,使得快堆在经济性上就将逐渐优于压水堆到那时,快堆将首先在个别国家,然后在全世界迅速发展起来。

快堆前景展望。

根据目前情况,压水堆和重水堆都已成熟,各国可以根据自己的情况选择一种作为当前主要的堆型但是由于热中子反应堆的迅速发展,以及可以经济开采的铀资源不久将枯竭,所以快堆是反应堆发展的方向快堆的大量发展,会使可以经济开采的铀资源扩大,又会给热中子堆以新的生命力因此将出现快堆与热中子反应堆同时并存,但以快堆为主的时代在目前以热中子反应堆为主,过渡到以快堆为主的同时,在热中子反应堆内部,也会逐步实现由压水堆向石墨作慢化剂氦气作冷却剂的高温气冷堆的过渡这是由于高温气冷堆能够直接提供高温工业热源并便于利用钍资源,可以在未来的核能利用中起一种补充作用但是由于高温气冷堆既没有成熟,也没有快堆那么重要,不能增殖核燃料,所以高温气冷堆的发展将在快堆之后。

今后核能发展的可能模式是:由目前的压水堆为主,过渡到快堆为主压水堆为辅,然后压水堆逐渐被快堆取代,再进一步过渡到以快堆为主高温气冷堆为辅快堆是目前最迫切,而且对即将到来的核能的大发展最为重要的堆型以快堆和高温气冷堆代替压水堆,将使核能更加安全和清洁,而且在核燃料的供应上更加丰富到那时,核能将是在发电和供热方面得到广泛利用的最经济而且最主要的能源。

我国曾在60年代就开展对快堆的研究1987年以来,快堆研究又纳入了高技术研究发展计划(即“863计划”),经过广大科技工作者的努力,已在快堆设计钠工艺技术燃料材料和快堆安全等方面取得突破性进展。

早在199011,中国原子能科学研究院快堆研究中心就在北京奠基,这是中国和平利用原子能研究的重要里程碑对我国第二代核电的研究和建设必将起重要作用。该快堆研究中心主要包括快堆实验设施工程和实验快堆我国也成为世界上少数拥有快堆的国家之一。

聚变原理

当两个轻原子核结合成一个较重的原子核时,也会释放能量我们称这种结合为聚变,放出的能量称为聚变能在人工控制下的聚变为受控聚变,在受控聚变的情况下释放能量的装置,称为聚变反应堆或聚变堆。

研究表明,中等质量的元素,例如铁附近的元素,无论裂变还是聚变,都不会释放能量,而且需要吸收能量重的元素,如铀附近的元素,裂变时会释放能量;与此相反,轻的元素.则在聚合为较重的元素时,释放出能量。

原子核都带正电两个带正电的原子核聚变成—个较重的原子核时,首先要克服彼此间的静电斥力轻原子核带的正电少,彼此间的静电斥力小,所以质子数越少的原子核越容易聚变轻原子核不但容易聚变,而且聚变时放出的能量多实际上,在考虑轻原子核的聚变时,目前只考虑氢的同位素之间的聚变氢的各种同位素的质子数最少,只有一个,所以互相间静电斥力最小,在人工的条件下最容易聚变。

氢有三种同位素:氕氖氚氕的原子核只有一个质子氖的原子核有1个质子和1个中子,比氕原子核重1倍由于它比氕重1,所以化学性质相差较大在当时,还没有其他两种同位素具有氕和氖这样大的化学性质上的差别氚原子核有1个质子和2个中子氢是上述三种同位素的总称,是元素名称。

在氢的同位素中,氖和氚之间的聚变又最容易,所以人们一般将氖和氚称为聚变核燃料氖和氖之间的聚变就困难些,氕之间的聚变就更困难因此人们在考虑聚变时,首先考虑的是氖氚之间的聚变,其后才是考虑氖氖之间的聚变由于氚的半衰期只有12.26,每过12.26年就要减少一半,所以地球诞生之初存在的氚早已衰变得无影无踪了自然界中的氚,是宇宙射线的产物,只有几千克聚变用的氚要人工制造,所以一般不考虑氚氚聚变。

聚变核燃料和裂变核燃料相比,不仅丰富,而且干净太阳的巨大能源就是聚变产生的。

聚变能量

氖和氚发生聚变后,2个原子核结合成1个氦原子核,并放出1个中子和0.176亿电子伏特能量每一次氖氚聚变时释放的能量,比一次铀-235裂变释放的约2亿电子伏特能量少得多。

中子和质子统称核子氖氚聚变时只有5个核子参加反应,而铀-235裂变时有236个核子参加反应因此如果按平均每个核子释放的能量来比较,氖氚聚变释放的能量是铀-235裂变释放的能量的4.14倍。

不仅轻原子核聚变时,每个核子释放的能量,也就是每千克聚变燃料释放的能量比裂变多,更主要的是,地球上聚变燃料的储量比裂变燃料丰富得多。

据估计,地球上总的水量,包括海水冰川河水等,138.598亿亿立方米,其中海水占99.3%水中氖的含量非常“丰富”,每升水含0.03克氖,比海水中铀的含量大1万倍因此地球上的水中约有40万亿吨氖。

氚可以由锂制造锂主要有锂-6及锂-7两种同位素锂-6吸收1个热中子后,可以变成氚并放出能量;-7要吸收快中子才能变成氚地球上锂的储量虽比氖少得多,也有2000多亿吨。

氖不仅储量丰富,而且提取方便地球上的铀矿,含量千分之几就算较富的矿了在开采铀矿的过程中,还有粉尘及放射性氡气而水中提取氖,不用探矿和采矿,也没有粉尘和放射性污染再加上聚变燃料单位质量释放的能量多,所以使用聚变能源时,燃料费更低。

聚变能源不仅丰富,而且安全清洁要产生裂变链式反应,并使裂变堆能运行一段时间,必须使核燃料的装载量超过维持链式反应所需的质量这就使裂变堆,特别是快堆,核燃料的装载量很大,高达数吨如果出现使功率陡增的瞬发临界等事故,就会释放大量的能量和放射性物质,因此要采用一系列安全措施而聚变燃料是按一定的速度加入的,燃料的数量少,即使失控也不会产生严重事故。

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