核电站工作原理大揭秘

　　核电站提供了世界上大约17%的电能。一些国家或地区对核电的依赖要比其他发电方式更高。例如，根据国际原子能机构提供的数据，在法国，大约75%的电是由核电站生产的。在美国，核电站共提供了大约15%的电能，但各州利用核电的情况并不统一。全世界共有超过400座核电站，而其中有超过100座在美国。

　　座落于北卡罗莱纳州罗利市的希隆˙哈里斯 (Shearon Harris) 核电站的穹顶形的安全壳建筑

　　您了解核电站的工作原理以及核能的安全性吗?在这篇文章中，我们将为您介绍核反应堆和核电站的工作原理，并带您了解核裂变的原理以及核反应堆的内部情况。

　　铀是地球上一种相当普通的元素，在地球形成时就存在于这个行星中了。铀原本是在恒星中形成的。年老的恒星爆炸，其尘埃聚集起来形成了地球。铀-238 (U-238) 有一个非常长的半衰期(大于45亿年)，因此现在它们仍然大量存在。铀-238占地球上所有铀的99%，铀-235 约占0.7%。铀-234是由铀-238衰变形成的，它更加稀少。(铀-238经过很多阶段的阿尔法和贝塔衰变才能转变为稳定的铅同位素，而铀-234是这条反应链上的一环。)

　　铀-235有一个奇特的特性让它既可以用于核能发电也可以用于制造核弹。铀-235和铀-238一样都是通过辐射阿尔法射线的方式衰变。铀-235同时也在一小部分时间中进行着自发裂变。然而，铀-235是少数能够发生诱发裂变的物质之一。如果一个自由中子撞击铀-235的原子核，它的原子核将会立即吸收这个中子而变得不稳定，并马上分解。请查看核辐射揭秘以了解全部细节。

　　核裂变

　　下面的动画演示了一个中子从上部接近铀-235的原子核。一旦原子核捕捉到中子，它马上分解为两个轻一些的原子，同时释放出两个或三个新的中子(中子的个数取决于铀-235原子分解的方式)。两个新的原子释放出伽马射线并稳定到新的状态。有三件事情让这个诱发裂变过程变得有趣：

　　铀-235原子捕捉一个正在穿过的中子的概率非常高。在正常工作的核反应堆中(称为临界状态)，每次裂变释放出的中子都会导致另一次裂变的发生。

　　捕捉中子并发生分解的过程非常迅速，单位为皮秒(即1x10-12秒)。

　　当单个原子分解时，会有巨大的能量通过热和伽马辐射的形式释放出来。裂变生成的两个原子也能够释放贝塔和伽马射线。单个裂变反应之所以能释放出能量，是因为裂变产物和中子加在一起的质量比原来的铀-235原子的质量要小。方程E=mc2决定了质量差异转化为能量的比率。

　　单位约为200MeV(百万电子伏特)的能量被铀-235原子通过衰变释放出来(下面的公式将这些量转化为我们常见的单位，1eV=1.602x10-12尔格，1x107尔格=1焦耳，1焦耳=1瓦秒，而1BTU(热量单位)=1055焦耳)。这些可能看上去不是很多，但是一斤铀中有大量的铀原子。事实上，一斤高浓铀被用于为核潜艇或者核动力航母提供能量，这约等于380万升汽油能提供的能量。如果考虑到一斤铀的尺寸比一个棒球还小，而380万升的汽油却能够装满边长为15米(有五层楼高)的立方体，您就能对铀-235 所蕴含的能量有个概念了。

　　为使铀-235的这些特性得到发挥，铀样品必须得到浓缩，这样它就含有2-3% 或者更高浓度的铀-235。3%的浓度足够用于核电站。武器中的铀含有90%或更多的铀-235。

　　核电站内部

　　建造一个核反应堆需要浓度低一些的铀。通常，铀被制作成直径相当于10美分硬币左右，长度为2.5厘米左右的燃料元件。燃料元件被安装到长燃料棒中，燃料 棒被进一步组装成燃料组件。燃料组件通常被浸泡在压力容器中。容器中的水起冷却作用。为使反应堆工作，浸泡在水中的燃料组件必须处于稍微超临界的状态。这意味着，如果没有其他设备，铀最终将会过热并熔化。

　　为防止这种情况出现，由吸收中子的材料制成的控制棒通过升降装置插入到燃料组件中。操作员通过升降控制棒来控制核反应的程度。当操作员希望铀堆芯产生更多 的热量时，可将控制棒从铀燃料组件中升起。要使热量减少，则降低控制棒以插入到铀燃料组件中。在发生事故或者更换燃料时，控制棒还能被完全插入铀燃料组件 中以关闭核反应堆。

　　铀燃料组件是一个能够产生极高能量的热源。它对水进行加热并将其转化为蒸汽。蒸汽推动蒸汽轮机，而汽轮机则带动发电机来发电。在某些反应堆中，反应堆产生 的蒸汽通过二级中介热交换装置将另一个回路的水加热为蒸汽来转动汽轮机。这种设计的好处是放射性的水或者水蒸汽不会接触到汽轮机。同样，在某些反应堆中， 与反应堆堆芯接触的冷却流体是气体(如二氧化碳)或者液态金属(如钠或钾)，这种类型的反应堆允许堆芯在更高的温度下工作。

　　如果除去核反应堆，核电站和火电站除了生成蒸汽的热源不同外差异很少。

　　电站中输送驱动发电机转动的水蒸汽的管道

　　电站中输送驱动发电机转动的水蒸汽的管道

　　反应堆的压力容器通常被放置在一个用作辐射防护的混凝土衬里内。这个衬里被安装在一个更大的钢制密闭容器中。这个容器中有反应堆堆芯以及供工作人员维护反应堆的硬件设施(吊车等)。该容器的作用是防止放射性气体或液体泄漏。

　　最后，这个密闭容器被外部的混凝土建筑保护，它的强度能够承受喷气式飞机的撞击。这些二级密闭结构对防范如在三里岛事故中那样的辐射或放射性蒸汽的泄漏是必要的。前苏联的核电站中由于没有二级密闭结构，最终导致了切尔诺贝利核电站事故。

　　哈里斯发电站冷却塔中升起的蒸汽

　　核电站控制室中的工作人员能够监视核反应堆并在发生故障时采取行动

　　铀-235并不是核电站中唯一可用的燃料。核电站的另一种燃料是钚-239。钚-239 可以使用中子轰击铀-238得到——这就是核反应堆中时时刻刻发生着的事。

　　亚临界、临界和超临界状态

　　铀-235原子分裂时会(根据分裂方式的不同)释放出两个或三个中子。如果附近没有铀-235原子，那么这些中子将会以中子射线的方式飞走。如果铀-235原子是一块铀的一部分——那么附近就有其他铀原子——于是将会发生下面三种情况：

　　如果，平均起来，每次裂变正好有一个自由中子击中另一个铀-235原子核并使它发生裂变，那么这块铀的质量就被认为是临界的。其质量将维持一个稳定的温度。核反应堆必须被维持在临界状态。

　　如果，平均起来，击中另一个铀-235原子的自由中子少于一个，那么这块质量就是亚临界的。最终，物质的诱发裂变会终止。

　　如果，平均起来，有超过一个自由中子击中了另一个铀-235原子，那么这块铀的质量就是超临界的。铀会热起来。

　　对于核弹，其设计者要求铀的质量远远超过超临界质量，这样燃料块中的所有铀-235能够在极短的时间内全部发生裂变。在核反应堆中，反应堆堆芯需要稍微超临界，这样工作人员就能控制反应堆的温度。工作人员通过操作控制棒来吸收自由中子，以使反应堆维持在临界水平。

　　燃料中铀-235的含量(浓缩水平)和燃料块的形状决定了铀的临界状况。可以想象，如果燃料是细薄的片状，那么多数自由中子将会飞出去而不是撞击其他的铀-235原子。球形是最佳的形状。以球形聚集在一起以实现临界反应的铀-235的量大约为0.9公斤。这个量因此被称为临界质量。钚-239的临界质量大约是283 克。

　　可能出现的问题

　　核能发电有一个重要的优点——非常清洁。与火电站相比，核电站从环保角度来讲简直就是做到了极致。火电站向大气中释放的放射性物质比核电站还多，同时它还向大气中释放大量的碳、硫和其他元素，非常不幸的是，核电站的运行也存在一些严重的问题：

　　铀的开采和提纯并不是非常清洁的过程。

　　非正常运行的核电站能够带来大问题。切尔诺贝利灾难是最近的一个例子。切尔诺贝利核电站的设计不良并且运作不当，这场灾难展示了核电站可能发生的最糟糕的情况。切尔诺贝利核电站向大气中泄漏了成吨的放射性尘埃。

　　核电站的乏燃料在几百年内都是有毒的，并且到目前为止，世界上没有能安全、永久地存储它们的设施。

　　运输核燃料往返于核电站带来了一些风险，不过迄今为止，美国并没有发生过这种事故。

　　很大程度上，以上这些问题使得在美国建设新核电站的尝试偏离了正常轨道。因为社会似乎普遍认为建设核电站风险超过了回报。

　　揭秘核聚变反应堆工作原理

　　与其他能源相比，核聚变反应堆有几项显著的优点，因而一直备受媒体的关注。它们的燃料来源十分充足，辐射泄漏也处于正常范围之内，与目前的核裂变反应堆相比，其放射性废物更少。

　　然而迄今为止，还没有人将这一技术应用到实践中，但建造这种反应堆实际上已为期不远。目前，核聚变反应堆正处于试验阶段，世界各个国家及地区的多个实验室都开展了这项研究。

　　建立ITER核聚变反应堆工厂的建议地点——法国卡达拉什

　　美国、俄罗斯、欧洲和日本经过协商，建议在法国卡达拉什建立一座名为国际热核试验堆(ITER)的核聚变反应堆，旨在研究通过持续核聚变反应来发电的可行性。在本文中，我们将介绍关于核聚变的知识，并了解ITER反应堆的工作方式。

　　核聚变物理学：反应

　　核聚变的能量是通过两个原子合并为一个原子而产生的。在核聚变反应堆中，氢原子发生聚变，进而形成氦原子、中子，并释放巨大的能量。氢弹和太阳的能量就是靠这种反应提供的。与核裂变相比，核聚变所产生的能量更加清洁、安全、高效，其能量来源也更为丰富。目前的核反应堆利用核裂变来产生能量。在核裂变中，能量是通过一个原子分裂为两个原子来释放的。在传统的核反应堆中，铀的重原子在高能中子的轰击下发生裂变，这会生成巨大的能量，同时产生长期的辐射和放射性废物(详见核电站工作原理)。

　　核聚变反应分为多种类型。其中大多数都涉及氢的同位素氘和氚：

　　质子-质子链——这一序列是太阳等恒星中最主要的核聚变反应模式。

　　两对中子形成两个氘原子。

　　每个氘原子与一个质子结合，生成一个氦3原子。

　　两个氦3原子结合，生成不稳定的铍6。

　　铍6衰变为两个氦4原子。

　　这些反应会生成高能粒子(质子、电子、中子、正电子)，并放出辐射(光线、伽马射线)。

　　氘-氘反应——两个氘原子结合，生成一个氦3原子和一个中子。

　　氘-氚反应——一个氘原子和一个氚原子结合，生成一个氦4原子和一个中子。其中大部分能量以高能中子的形式释放。

　　从概念上讲，利用反应堆中的核聚变十分容易。但为了让这一反应以可控、无害的方式进行，科学家们历经周折。为了了解其中的缘由，我们需要先看一下发生核聚变的必要条件。

　　同位素

　　同位素是指质子数和电子数相同，但中子数不同的同一类元素的原子。下面是核聚变中一些常见的同位素：

　　氕是带一个质子而没有中子的氢同位素。它是氢的最常见的一种形式，也是宇宙中最普遍的元素。

　　氘是带一个质子和一个中子的氢同位素。它不具有放射性，可从海水中提取。

　　氚是带一个质子和两个中子的氢同位素。氚具有放射性，半衰期约为10年。氚不会自然形成，但用中子轰击锂可产生氚。

　　氦3是带有两个质子和一个中子的氢同位素。

　　氦4是氦在自然界中最为普遍的一种形式，它带有两个质子和两个中子。

　　发生核聚变的条件

　　当氢原子聚合时，它们的原子核必须结合在一起。然而，由于每个原子核中的质子都带有相同的电荷(正电)，因而会互相排斥。如果您曾试着将两块磁铁放在一起并感到它们互相推开，则意味着您已亲身体验了这一原理。

　　若要实现核聚变，需要创造一些特殊的条件来克服这种排斥力。下面是发生核聚变的一些必要条件：

　　高温——高温可为氢原子提供足够的能量，以克服质子之间的电荷排斥。

　　核聚变需要的温度约为1亿开(约是太阳核心温度的六倍)。

　　在这样的高温下，氢的状态为等离子体，而不是气体。等离子体是物质的一种高能状态，其中所有电子都从原子中剥离出来，并可以自由移动。

　　太阳的高温是由重力压缩核心的巨大质量而产生的。我们要制造出这样的高温，就必须利用微波、激光和离子粒子的能量。

　　高压——压力可将氢原子挤在一起。氢原子之间的距离必须在1x10-15米以内，才能进行聚合。

　　太阳利用其质量和重力将核心内的氢原子挤压在一起。

　　我们要将氢原子挤压在一起，必须使用强大的磁场、激光或离子束。

　　借助目前的技术，我们只能实现发生氘-氚聚变所需的温度和压力。氘-氘聚变需要的温度更高，这种温度有可能在将来实现。基本上，利用氘氘聚变会更加方便，因为从海水中提取氘比从锂中提取氚要更加容易。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反应可释放更多的能量。

　　核聚变反应堆：磁约束

　　有两种方法可实现发生氢聚变所需的温度和压力：

　　磁约束使用磁场和电场来加热并挤压氢等离子体。法国的ITER项目使用的就是这种方法。

　　惯性约束使用激光束或离子束来挤压并加热氢等离子体。在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施中，科学家们正在对这种试验方法展开研究。

　　我们首先探讨磁约束。其工作原理如下：

　　加速器释放出微波、带电粒子束和中性粒子束，用于加热氢气的气流。在高温下，氢气从气态变为等离子体。这种等离子体受到超导磁体的挤压，进而发生聚变。在用磁场约束等离子体时，最有效的磁体形状是面包圈形(即环形)。

　　等离子体环形室

　　采用这种形状的反应堆称为Tokamak。ITER Tokamak是一个独立式反应堆，其部件都装在不同的盒子中。进行维护时，工作人员可以方便地插入和拔出这些盒子，而不必拆开整个反应堆。该Tokamak的等离子体环形室将采用2米的内半径和6.2米的外半径。

　　磁约束：ITER示例

　　ITER Tokamak反应堆的主要组件包括：

　　ITER Tokamak

　　真空室——用于盛放等离子体，并将反应室置于真空中

　　中性束注入器(离子回旋系统)—— 将加速器释放的粒子束注入等离子体中，以便将等离子体加热到临界温度

　　磁场线圈(极向环形)——用磁场来约束、定型和抑制等离子体的超导磁体

　　变压器/中央螺线管——为磁场线圈供电

　　冷却设备(冷冻机、低温泵)——用于冷却磁体

　　包层模块——由锂制成，用于吸收核聚变反应中的热量和高能中子

　　收集器——排出核聚变反应中的氦产品

　　下面是磁约束核聚变过程的作用机制：

　　磁约束核聚变过程

　　核聚变反应堆加热氘和氚燃料的气流，使之形成高温的等离子体。接下来，反应堆对等离子体施加压力，继而发生聚变。

　　启动核聚变反应所需的电能约为70兆瓦特，但该反应生成的电能约为500兆瓦特。

　　核聚变反应将持续300到500秒(最终将形成持续的核聚变反应)。

　　等离子体反应室外部的锂包层将吸收核聚变反应中释放的高能中子，从而产生更多的氚燃料。在高能中子的作用下，这些包层也会被加热。

　　水冷回路将热量转移至热交换器，最终形成蒸气。

　　蒸气驱动电涡轮发电。

　　蒸气将被重新压缩成水，以便让热交换器吸收反应堆中的更多热量。

　　起初，ITER Tokamak将测试建造持续核聚变反应堆的可行性，其最终将变为一座测试核聚变发电厂。

　　核聚变反应堆：惯性约束

　　在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施(NIF)中，科学家们正在试验用激光束来诱发聚变。在NIF设备中，192条激光束将聚焦于一个直径为10米的靶室上的一点，这个靶室称为黑体辐射空腔。根据科学和工程百科全书，黑体辐射空腔是指“腔壁与腔内的辐射能量达到平衡的腔”。

　　惯性约束核聚变过程

　　在靶室内部的焦点上，将有一个豌豆大小的氘-氚粒状物，其外侧包有一个小型塑料圆筒。激光的能量(180万焦)将加热圆筒，并生成X射线。 在高温和辐射的作用下，粒状物将转化为等离子体，且压力不断升高，直至发生聚变。核聚变反应寿命很短，大约只有百万分之一秒，但它释放的能量是引发核聚变 所需能量的50到100倍。在这种类型的反应堆中，需要相继点燃多个目标，才能产生持续的热量。据科学家估计，每个目标的成本可控制在0.25美元左右， 从而大大降低了核电厂的成本。

　　核聚变点火过程

　　与磁约束核聚变反应堆类似，惯性约束核聚变中的能量也将被转移至热交换器生成蒸气，进而通过蒸气来发电。

　　核聚变的应用

　　核聚变的主要应用是发电，它可为后代提供安全、清洁的能源，与目前的核裂变反应堆相比，它具有以下几个优点：

　　燃料供应充足——氘可直接从海水中提取，大量的氚可从核反应堆本身的锂中获得，而锂又广泛存在于地壳中。核裂变所需的铀非常稀少，必须经过开采和浓缩后才能用于反应堆。

　　安全——与核裂变反应堆相比，核聚变所需的燃料较少。这样便避免了不可控的能量释放。与人类生存的自然界相比，大多数核聚变反应堆释放的辐射并不算多。

　　清洁——核电厂(无论是裂变还是聚变)不靠燃烧发电，不会造成空气污染。

　　核废物更少——核聚变反应堆不像核裂变反应堆那样会生成大量的核废物，因而处理起来会更加容易。另外，核裂变所产生的废物属于武器级的核材料，而核聚变的废物则没有这样的危险。

　　目前，NASA正在研制一种小型的核聚变反应堆，用于为深空火箭提供动力。核聚变推进器具有无限的燃料供应(氢)，其效率更高，可令火箭飞得更快。

　　冷核聚变

　　1989年，美国和英国的研究人员宣称，他们在室温条件下建造了核聚变反应堆，而没有采用对高温等离子体进行约束的方 法。他们将用钯制成的电极置于盛有重水(氧化氘)的保温瓶中，然后为重水通上电流。这些研究人员指出，钯可以催化聚变，它能将氘原子间的距离拉近到足以发 生聚变的程度。但是，其他国家及地区的许多科学家并未能得到相同的结果。

　　2005年4月，冷核聚变取得巨大进展。美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)的科学家利用热电晶体引发了核 聚变。他们将晶体放入盛有氢的小型容器中，并对晶体加热，进而形成一个电场。接下来，他们将一根金属线插入容器来吸收电荷。聚焦的电场对带正电荷的氢原子 核产生极强的排斥力，这使得原子核快速挣离金属线，并发生相互碰撞，其力度足以实现聚合。这一反应是在室温条件下进行的。