核能基本原理和知识

2019-09-10 08:33



    核能是20世纪人类的一项伟大发现,并已取得了十分重要的成果。1942年12月2日,著名科学家恩里科·费米领导几十位科学家,在美国芝加哥大学启动成功了世界上第一座核反应堆,标志着人类从此进入了核能时代。

    我们从中学的物理课和化学课已经学到,物质是由分子或原子构成的。分子是由原子构成的,原子是由原子核以及围绕原子核的电子构成的,原子核是由结合在其中的一定数目的质子和中子构成的。质子带正电,电子带负电,中子不带电。凡是不涉及到分子变化的过程叫做物理变化,凡是涉及到分子变化、但是原子并不发生变化的过程叫做化学变化。在核能出现以前,人类利用的能源只涉及到物理变化和化学变化,核能是通过原子核变化释放出的能量。

    核能分为核裂变能和核聚变能两种。当一个重原子核在吸收了一个能量适当的中子后形成一个复合核,这个核由于内部不稳定而分裂成两个或多个质量较小的原子核,这种现象叫做核裂变。核裂变释放出的能量叫核裂变能。核聚变是两个轻原子核结合在一起释放能量的反应,主要包括氢的同位素氘(2H,重氢)和氚(3H,超重氢)聚合,或氘和氘聚合的反应。核聚变释放出的能量叫核聚变能。自然界中的氘以大部分以重水的形式存在于海水中。氘的含量占氢的0.015%,1升海水中的氘通过核聚变释放出的能量相当于300升汽油燃烧释放出的能量。核聚变又叫“热核反应”,受控的热核反应目前正在研究当中。2002年12月2日,我国建成了受控核聚变研究装置——核工业西南物理研究院的中国环流器二号A。目前核聚变的实际应用只是利用不可控的热核反应,即制造氢弹。迄今,达到工业规模应用的核能只有核裂变能。

     核能问世的准备时期,可以追溯到19世纪末至20世纪初。19世纪末,英国物理学家汤姆逊发现了电子。1895年,德国物理学家伦琴发现了X射线。1896年,法国科学家贝克勒尔发现了放射性。1898年,居里夫人发现了放射性元素钋,她又通过艰苦努力,于1902年发现了另一种放射性元素镭。1905年,著名科学家爱因斯坦在其相对论中指出:质量只是物质存在的形式之一,另一种形式就是能量。质量和能量可以相互转换。他提出了质能转换公式E=mC2(E为能量,m为转换成能量的质量,C为光速)。核能就是通过原子核反应,由质量转换成的巨大能量。1914年,物理学家卢瑟福通过实验,确定氢原子核是一个正电荷单元,称为质子。1932年,英国物理学家查得威克发现了中子。意大利物理学家费米在1934年以中子撞击铀元素后,发现会有新的元素产生。1938年,德国科学家奥托·哈恩及其助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀原子核时,发现了核裂变现象。1946年,我国物理学家钱三强、何泽慧在法国居居里实验室发现了铀原子核的“三裂变”、“四裂变”现象。

 



        有些元素可以自发地放出射线,这些元素叫做放射性元素,它们放出的射线有α、β、γ三种。α射线是高速氦粒子流(氦原子核),带正电,质量大(这里的质量大小是相对概念,实际上质量是很小的),射程短;β射线是高速电子流,带负电,质量小;γ射线是速度很高的光子,它是从原子核内部发射出来的一种波长短的电磁波,不带电,穿透力强。放射性核素放出这些射线不断衰变,其原子核的数目因衰变而不断减少。放射性衰变遵循指数规律,放射性核素的原子核数目因衰变而减少到它原来一半所需要的时间叫半衰期。

    一个铀–235原子核在中子的轰击下分裂成为几个较轻的原子核,同时放出2~3个中子,并释放巨大的能量,这个反应过程称为核裂变反应。在一定的条件下,新产生的中子会继续引起更多的铀–235原子核裂变,这样一代代传下去,像链条一样环环相扣,使核裂变反应自持(自动连续)地进行下去,所以科学家将其命名为“自持链式裂变反应”。这“一定的”条件有两个,第一个条件是铀要达到一定的质量,这个质量叫做“临界质量”;第二个条件是中子的能量,铀–235原子核在慢速的“热中子”作用下比较容易发生裂变反应。

    链式裂变反应释放出巨大的核能,1千克铀–235裂变释放的能量,相当于2700吨标准煤燃烧产生的能量。只有铀–233、铀–235和钚–239这三种核素在热中子条件下容易发生核裂变,它们都是核燃料,其中只有铀–235是天然存在的,而铀–233、钚–239是在反应堆中人工生产出来的。铀–235在天然铀中的含量(叫做“丰度”)仅为0.7%。




         反应堆是通过受控的自持链式裂变反应将核能缓慢地释放出来的装置,是和平利用核能的最主要的设施。反应堆的种类繁多,一般是根据用途分为动力堆、生产堆和研究堆。动力堆是利用核裂变释放的能量来产生动力,进行发电、供热、推动船舰等。生产堆是利用中子生产新的核燃料(核裂变材料钚–239、铀–233,核聚变材料氚)。研究堆是利用中子进行基础科学和应用科学研究。反应堆还可以生产放射性同位素。除了根据用途进行分类外,反应堆还可以按堆内主要中子能量分为热中子堆(简称热堆)、中能中子堆和快中子堆(简称快堆);按冷却剂分为轻水堆、重水堆(合称水冷堆或水堆,轻水堆又分为压水堆和沸水堆)、气冷堆和钠冷堆等。

    不管反应堆的堆型怎样变化,但其基本结构是一致的。反应堆由核燃料元件、慢化剂、反射层、控制棒、冷却剂、屏蔽层等六个基本部分构成,此外还包括控制保护系统、辐射监测系统等。

    反应堆的核燃料制成燃料元件,不同的反应堆燃料元件结构、形式不同。反应堆的燃料元件部分叫做堆芯。

    核裂变产生的中子是快中子。热中子堆由速度很慢的热中子引起核裂变,必须使用慢化剂使快中子减速。慢化剂主要有水、重水、石墨、铍、氧化铍等。快中子堆不需要慢化剂。

    控制棒是保证反应堆安全,开、停反应堆和调节反应堆功率的装置。控制棒内有硼、镉、铪、钆、釤等“中子毒物”。

、    冷却剂的作用是把反应堆中核裂变产生的热量带出加以利用并保证反应堆的安全。冷却剂有气体(二氧化碳、氦气等)、液体(轻水、重水等)、熔融金属(液态钠等)。
 

   屏蔽层的作用是屏蔽反应堆产生的γ射线和中子,一般使用重混凝土做屏蔽层。

    反应堆的重要应用之一是进行发电。用于核电站的反应堆主要包括压水堆、沸水堆和重水堆。1951年,美国进行了世界首次核能发电试验。1954年,前苏联建成世界上第一座试验核电站奥勃宁斯克核电站(反应堆为石墨水冷堆,电功率5兆瓦即5000千瓦)。1956年,英国建成世界上第一座天然铀石墨气冷堆核电站考尔德霍尔核电站(电功率9.2万千瓦);1957年,美国建成世界第一座压水堆核电站希平港核电站(电功率6万千瓦);1959年,美国建成世界第一座沸水堆核电站德累斯顿核电站(电功率20万千瓦);1962年,加拿大建成世界第一座重水堆核电站道格拉斯角核电站(电功率20万千瓦)。

    为了实现核能的进一步发展,当前世界许多国家的核科学家正在研究与发展先进的反应堆,进一步提高反应堆的安全性和经济性。我国正在研发两种先进反应堆,一种是高温气冷堆,另一种是快中子反应堆。由清华大学核能与新能源技术研究院承担的10兆瓦高温气冷实验堆,由中国原子能科学研究院承担的中国实验快堆,已分别于2000年和2010年建成运行成功。最近,20万千瓦级模块式高温气冷堆示范电站已在山东荣成动工兴建,准备建设的中国示范快堆电站也已在福建三明完成了厂址选址工作。在核电主战场,我国正在建设一大批国产改进的第二代压水堆,并从美国、法国引进更先进的第三代压水堆,进行消化吸收。(作者:马栩泉)


(本文来源中国核学会)



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