核能發(fā)電原理

核能發(fā)電原理淺談?wù)汉四苁乾F(xiàn)在一直在研究的新能源，本文主要談?wù)摵四芤约昂四苡脕?lái)發(fā)電的原理，了解核能發(fā)電站的發(fā)電原理和優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞：核能、鈾、核裂變、核電站能源是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),傳統(tǒng)的燃料如煤炭、石油等能源正在一天天減少,對(duì)環(huán)境造成的危害也日益突出,清潔燃料的供給能力密切關(guān)系著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展。這個(gè)時(shí)候,全世界都把目光投向了可再生能源,人們?cè)陂_(kāi)源和節(jié)流上積極行動(dòng),提出了節(jié)約型社會(huì)理念,同時(shí)開(kāi)始開(kāi)發(fā)新能源,希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu),維持長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。而對(duì)于可再生能源而言，現(xiàn)今的就是風(fēng)能，潮汐能、太陽(yáng)能、核能等。風(fēng)能、潮汐能運(yùn)用不廣，太陽(yáng)能還不能高效率的轉(zhuǎn)化為可用能源，因此人們都把視線集中在了核能上面。核能在世界上資源儲(chǔ)量豐富、清潔、高效,是一種可以大規(guī)模使用的安全的、經(jīng)濟(jì)的工業(yè)能源。以核電站為代表的動(dòng)力核能的開(kāi)發(fā)和利用就成為關(guān)注的熱點(diǎn)。核電站提供了世界上大約17%的電能。一些國(guó)家或地區(qū)對(duì)核電的依賴要比其他發(fā)電方式更高。例如，根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)提供的數(shù)據(jù)，在法國(guó)，大約75%的電是由核電站生產(chǎn)的。在美國(guó)，核電站共提供了大約15%的電能，但各州利用核電的情況并不統(tǒng)一。全世界共有超過(guò)400座核電站，而其中有超過(guò)100座在美國(guó)。核能又稱原子能，顧名思義是通過(guò)轉(zhuǎn)化其質(zhì)量從原子核釋放的能量，符合愛(ài)因斯坦的方程E=mc2，其中E=能量，m=質(zhì)量，c=光速常量。核能通過(guò)三種核反應(yīng)之一釋放：1、核裂變，打開(kāi)原子核的結(jié)合力。2、核聚變，原子的粒子熔合在一起。3、核衰變，自然的慢得多的裂變形式。核能發(fā)電的能量來(lái)自核反應(yīng)堆中可裂變材料(核燃料)進(jìn)行裂變反應(yīng)所釋放的裂變能。裂變反應(yīng)指鈾-235、钚-239、鈾-233等重元素在中子作用下分裂為兩個(gè)碎片，同時(shí)放出中子和大量能量的過(guò)程。反應(yīng)中，可裂變物的原子核吸收一個(gè)中子后發(fā)生裂變并放出兩三個(gè)中子。若這些中子除去消耗，至少有一個(gè)中子能引起另一個(gè)原子核裂變，使裂變自持地進(jìn)行，則這種反應(yīng)稱為鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是核能發(fā)電的前提。鈾是地球上一種相當(dāng)普通的元素，在地球形成時(shí)就存在于這個(gè)行星中了。鈾原本是在恒星中形成的。年老的恒星爆炸，其塵埃聚集起來(lái)形成了地球。鈾-238(U-238)有一個(gè)非常長(zhǎng)的半衰期（大于45億年），因此現(xiàn)在它們?nèi)匀淮罅看嬖?。?238占地球上所有鈾的99%，鈾-235約占0.7%。鈾-234是由鈾-238衰變形成的，它更加稀少。（鈾-238經(jīng)過(guò)很多階段的阿爾法和貝塔衰變才能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的鉛同位素，而鈾-234是這條反應(yīng)鏈上的一環(huán)。）鈾-235有一個(gè)奇特的特性讓它既可以用于核能發(fā)電也可以用于制造核彈。鈾-235和鈾-238一樣都是通過(guò)輻射阿爾法射線的方式衰變。鈾-235同時(shí)也在一小部分時(shí)間中進(jìn)行著自發(fā)裂變。然而，鈾-235是少數(shù)能夠發(fā)生誘發(fā)裂變的物質(zhì)之一。如果一個(gè)自由中子撞擊鈾-235的原子核，它的原子核將會(huì)立即吸收這個(gè)中子而變得不穩(wěn)定，并馬上分解。核裂變一旦原子核捕捉到中子，它馬上分解為兩個(gè)輕一些的原子，同時(shí)釋放出兩個(gè)或三個(gè)新的中子（中子的個(gè)數(shù)取決于鈾-235原子分解的方式）。兩個(gè)新的原子釋放出伽馬射線并穩(wěn)定到新的狀態(tài)。鈾-235原子捕捉一個(gè)正在穿過(guò)的中子的概率非常高。在正常工作的核反應(yīng)堆中（稱為臨界狀態(tài)），每次裂變釋放出的中子都會(huì)導(dǎo)致另一次裂變的發(fā)生。捕捉中子并發(fā)生分解的過(guò)程非常迅速，單位為皮秒（即1x10-12秒）。當(dāng)單個(gè)原子分解時(shí)，會(huì)有巨大的能量通過(guò)熱和伽馬輻射的形式釋放出來(lái)。裂變生成的兩個(gè)原子也能夠釋放貝塔和伽馬射線。單個(gè)裂變反應(yīng)之所以能釋放出能量，是因?yàn)榱炎儺a(chǎn)物和中子加在一起的質(zhì)量比原來(lái)的鈾-235原子的質(zhì)量要小。方程E=mc2決定了質(zhì)量差異轉(zhuǎn)化為能量的比率。單位約為200MeV（百萬(wàn)電子伏特）的能量被鈾-235原子通過(guò)衰變釋放出來(lái)（下面的公式將這些量轉(zhuǎn)化為我們常見(jiàn)的單位，1eV=1.602x10-12爾格，1x107爾格=1焦耳，1焦耳=1瓦秒，而1BTU（熱量單位）=1055焦耳）。這些可能看上去不是很多，但是一斤鈾中有大量的鈾原子。事實(shí)上，一斤高濃鈾被用于為核潛艇或者核動(dòng)力航母提供能量，這約等于380萬(wàn)升汽油能提供的能量。如果考慮到一斤鈾的尺寸比一個(gè)棒球還小，而380萬(wàn)升的汽油卻能夠裝滿邊長(zhǎng)為15米（有五層樓高）的立方體，您就能對(duì)鈾-235所蘊(yùn)含的能量有個(gè)概念了。為使鈾-235的這些特性得到發(fā)揮，鈾樣品必須得到濃縮，這樣它就含有2-3%或者更高濃度的鈾-235。3%的濃度足夠用于核電站。核電站內(nèi)部建造一個(gè)核反應(yīng)堆需要濃度低一些的鈾。通常，鈾被制作成直徑相當(dāng)于10美分硬幣左右，長(zhǎng)度為2.5厘米左右的燃料元件。燃料元件被安裝到長(zhǎng)燃料棒中，燃料棒被進(jìn)一步組裝成燃料組件。燃料組件通常被浸泡在壓力容器中。容器中的水起冷卻作用。為使反應(yīng)堆工作，浸泡在水中的燃料組件必須處于稍微超臨界的狀態(tài)。這意味著，如果沒(méi)有其他設(shè)備，鈾最終將會(huì)過(guò)熱并熔化。為防止這種情況出現(xiàn)，由吸收中子的材料制成的控制棒通過(guò)升降裝置插入到燃料組件中。操作員通過(guò)升降控制棒來(lái)控制核反應(yīng)的程度。當(dāng)操作員希望鈾堆芯產(chǎn)生更多的熱量時(shí)，可將控制棒從鈾燃料組件中升起。要使熱量減少，則降低控制棒以插入到鈾燃料組件中。在發(fā)生事故或者更換燃料時(shí)，控制棒還能被完全插入鈾燃料組件中以關(guān)閉核反應(yīng)堆。鈾燃料組件是一個(gè)能夠產(chǎn)生極高能量的熱源。它對(duì)水進(jìn)行加熱并將其轉(zhuǎn)化為蒸汽。蒸汽推動(dòng)蒸汽輪機(jī)，而汽輪機(jī)則帶動(dòng)發(fā)電機(jī)來(lái)發(fā)電。在某些反應(yīng)堆中，反應(yīng)堆產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)二級(jí)中介熱交換裝置將另一個(gè)回路的水加熱為蒸汽來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)汽輪機(jī)。這種設(shè)計(jì)的好處是放射性的水或者水蒸汽不會(huì)接觸到汽輪機(jī)。同樣，在某些反應(yīng)堆中，與反應(yīng)堆堆芯接觸的冷卻流體是氣體（如二氧化碳）或者液態(tài)金屬（如鈉或鉀），這種類型的反應(yīng)堆允許堆芯在更高的溫度下工作。如果除去核反應(yīng)堆，核電站和火電站除了生成蒸汽的熱源不同外差異很少。反應(yīng)堆的壓力容器通常被放置在一個(gè)用作輻射防護(hù)的混凝土襯里內(nèi)。這個(gè)襯里被安裝在一個(gè)更大的鋼制密閉容器中。這個(gè)容器中有反應(yīng)堆堆芯以及供工作人員維護(hù)反應(yīng)堆的硬件設(shè)施（吊車等）。該容器的作用是防止放射性氣體或液體泄漏。最后，這個(gè)密閉容器被外部的混凝土建筑保護(hù)，它的強(qiáng)度能夠承受噴氣式飛機(jī)的撞擊。這些二級(jí)密閉結(jié)構(gòu)對(duì)防范如在三里島事故中那樣的輻射或放射性蒸汽的泄漏是必要的。前蘇聯(lián)的核電站中由于沒(méi)有二級(jí)密閉結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致了切爾諾貝利核電站事故。鈾-235并不是核電站中唯一可用的燃料。核電站的另一種燃料是钚-239。钚-239可以使用中子轟擊鈾-238得到——這就是核反應(yīng)堆中時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生著的事。核能發(fā)電優(yōu)點(diǎn)1.核能發(fā)電不像化石燃料發(fā)電那樣排放巨量的污染物質(zhì)到大氣中，因此核能發(fā)電不會(huì)造成空氣污染。2.核能發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生加重地球溫室效應(yīng)的二氧化碳。3.核能發(fā)電所使用的鈾燃料，除了發(fā)電外，沒(méi)有其他的用途。4.核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬(wàn)倍，故核能電廠所使用的燃料體積小，運(yùn)輸與儲(chǔ)存都很方便，一座1000百萬(wàn)瓦的核能電廠一年只需30公噸的鈾燃料，一航次的飛機(jī)就可以完成運(yùn)送。5.核能發(fā)電的成本中，燃料費(fèi)用所占的比例較低，核能發(fā)電的成本較不易受到國(guó)際經(jīng)濟(jì)情勢(shì)影響，故發(fā)電成本較其他發(fā)電方法為穩(wěn)定。核能發(fā)電缺點(diǎn)1.核能電廠會(huì)產(chǎn)生高低階放射性廢料，或者是使用過(guò)之核燃料，雖然所占體積不大，但因具有放射線，故必須慎重處理，且需面對(duì)相當(dāng)大的政治困擾。2.核能發(fā)電廠熱效率較低，因而比一般化石燃料電廠排放更多廢熱到環(huán)境裏，故核能電廠的熱污染較嚴(yán)重。3.核能電廠投資成本太大，電力公司的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)較高。4.核能電廠較不適宜做尖峰、離峰之隨載運(yùn)轉(zhuǎn)。5.興建核電廠較易引發(fā)政治歧見(jiàn)紛爭(zhēng)。6.核電廠的反應(yīng)器內(nèi)有大量的放射性物質(zhì)，如果在事故中釋放到外界環(huán)境，會(huì)對(duì)生態(tài)及民眾造成傷害。此外鈾的開(kāi)采和提純也并不是非常清潔的過(guò)程。非正常運(yùn)行的核電站能夠帶來(lái)大問(wèn)題。切爾諾貝利核電站的設(shè)計(jì)不良并且運(yùn)作不當(dāng)，這場(chǎng)災(zāi)難展示了核電站可能發(fā)生的最糟糕的情況。切爾諾貝利核電站向大氣中泄漏了成噸的放射性塵埃。切爾諾貝利核泄漏事件直接致死56人，近60萬(wàn)人受到大劑量的核輻射，估計(jì)有4000人會(huì)死于核輻射導(dǎo)致的癌癥。之后美國(guó)賓夕法尼亞州的三里島核電站的2號(hào)反應(yīng)堆出現(xiàn)故障，反應(yīng)堆容器失水，高溫導(dǎo)致100噸鈾燃料棒中的45%受到損壞。搶修人員向反應(yīng)堆容器大量注水，用了6天時(shí)間才將反應(yīng)堆降低到正常水平，最終避免了反應(yīng)堆爆炸。盡管發(fā)生了燃料棒高溫熔解，但由于受到輻射的冷卻水及其它放射性物質(zhì)都被控制在核電站的安全殼內(nèi)，所以這次事故并沒(méi)有造成嚴(yán)重的核泄漏。而最近發(fā)生的日本福島