关于各类核反应堆的构造、特点科普

火箭王朝85 · 发表于 2016-7-18 20:40

昨天看到一个帖子，说日本反应堆比中国先进，还经常有人嚷嚷气冷堆上潜艇，还有世界上3大核电站事故的情况，实在看不下去了，现在对核反应堆做个简单科普。
反应堆由燃料棒、控制棒、冷却剂、慢化剂组成，自行百度，我主要讲各类反应堆的具体情况。
首先是石墨液冷堆，是人类第一种掌握的反应堆，由费米于1942年12月2日在芝加哥大学网球场建立并启动，而第一个核电站，也是石墨液冷堆，由苏联建造。
这种反应堆用石墨作为慢化剂，水作为冷却剂，没有耐压壳。整体构造可以想象成蜂窝煤，在石墨中通上各类管线。作为人类第一代反应堆，缺点很多：1、没有耐压壳，安全性很差，一旦事故，堆心就会暴露在大气层中。2、高纯度石墨易燃，失事时会造成大火，不仅会阻碍救援，还会促进放射物在大气扩散。3、每一个管线都是单独的单元，各个管线并不是一体的，不利于维护。石液冷堆只有苏联大规模投入商业运营，切尔诺贝利爆炸的就是这种堆。
第二种是重水堆，当年纳粹开发核弹用的就是这种堆，用重水作为慢化剂，当时只有挪威能生产重水，工厂还被盟军炸了，攻入德国的时候就发现了一个完整的重水堆，只不过重水太少（只有2吨），不足以引起核反应，如果当时纳粹获得了足够的重水…………
重水很少吸收中子，所以重水堆的核燃料不用浓缩，用天然铀就行，省去了庞大的铀浓缩工厂；因为很少吸收中子，所以增值（下文会讲到）是所有慢中子堆中最高的；因为慢化剂是液体，紧急情况下只要排空慢化剂，就回停止核反应，安全性也很高；钴60（一种重要医疗资源，用于化疗）也主要由重水堆生产；最重要的一点是：核弹所用的钚239通常是由重水堆生产，其他反应堆生产的钚会含有钚240，用于反应堆没问题，但不能用于核弹。
重水堆主要使用国家为加拿大，我国的秦山3期也是重水堆，汶川大地震时时受影响的那个堆，就是重水堆。
   然后就是世界的主流，压水堆。压水堆是将冷却剂与慢化剂合二为一，用普通水来完成，因为省去了慢化剂的空间，所以最为紧凑。因为水会吸收一部分中子，所以压水堆的核燃料，浓缩丰度比较高，以补偿被吸收的中子。
   世界上所以核动力船舶都是压水堆（苏联搞过金属堆，后来放弃了，下文会讲到），核电站也大都是压水堆，比如我给的大亚湾、秦山1、2期，田湾核电站，以及美国失事的三里岛核电站。压水堆内部有耐压壳，外部有安全壳，虽然发生了核事故，不过放射性物质都被阻隔开了，对环境影响降到了最低。
   接下来是奇葩的沸水堆，也就是日本福岛核电站的堆。
核反应是有放射性的，所以一般反应堆有两个回路，我们将从反应堆导出热量的称为第一回路，给汽轮机供气的称第二回路。第一回路的热水通过热交换器给第二回路加热，将放射性阻隔开。不过热交换器管壁非常薄，只有1.5毫米，是易出事故的部件，沸水堆的目地，就是取消热交换器。
怎么做到呢？就是让冷却剂在反应堆里直接沸腾，产生蒸汽，再由这种带有放射性的蒸汽直接推动汽轮机发电，换句话说，汽轮机本身就被感染放射性了。
只有一个回路，而且放射性物质直接导出安全壳，其安全性怎么样，不言而喻了，第三代反应堆已经不考虑着种堆了。还有，这种技术主要掌握在美国西屋公司，日本不过是引进建造罢了。
再下来，就是我们的独门绝技：石墨气冷堆。
气冷堆的构造和其他反应堆都不一样，最早是英国设计建造，后来德国进行了跟进，最后由我们完成了最终的完善。石墨气冷堆的优点有两个：1.热效率高2.安全性高，缺点么，体积庞大，当然对核电站而言无所谓，上船是不可能的啦！
顾名思义，石墨气冷堆的冷却剂是氦气（英国用过二氧化碳），慢化剂是石墨。气冷堆没有燃料棒，也没有单独的慢化剂单元，这种堆是将核燃料做成小颗粒，外面包裹上石墨层，再松散的堆入容器，等堆到了临界体积，核反应就开始了。一旦出现事故，只要将容器底部打开，导出部分燃料，低于临界体积，核反应自然就停止了，所以安全性很高。
热效率为什么会很高呢？因为液体冷却剂的温度一般只有500℃左右，气冷堆能超过1000℃！！！不过气体的导热性能差，所以核燃料的间距比较大，要大量通过导热气体，所以体积比一般核反应堆大的多。世界上第一个商业气冷堆，现在我国山东建造当中。
   还有一种很少见的反应堆，叫金属堆，用铅铋合金作冷却剂，特点就是功率密度大。很好理解，金属的导热性比水强很多，用很少的冷却剂就能带走更多的热量，所以在功率相同情况下，金属堆的体积最小。
苏联当时是为了核潜艇才制造的这种反应堆，因为维护太过麻烦，反应堆一旦停堆，金属就会在管道里凝固，所以被放弃了。美国也研究过这种反应堆想用于航母、潜艇，也放弃了。
   最后就是快中子反应堆，提到快中子堆就要提到增值概念。
在天然铀，能用于核反应的铀235只占0.7%，99%的铀238不能用于核反应，但铀238吸收中子后会变成钚239，也可以用于核反应。一般反应堆消耗的燃料比转换的要多，如果转换的比消耗的多，那么核燃料就回“增值”，所以称为增值堆。
增值堆没有慢化剂，因为慢化的中子增值很少；但快中子速度快，在核燃料内停留时间短，难以引发核反应，所以采用高浓度，甚至是武器级别的核燃料，增大反应几率。
   因此带来一个问题，一旦发生事故，燃料棒相互堆积，就会发生核链式反应，而变成核爆炸！！而且快中子长时间照射会让材料脆化；快中子堆发热量很大，水无法满足冷却要求，只能用麻烦的金属合金，或强腐蚀的融盐，或剧毒的有机溶剂。建造使用成本很高，所以现在很难投入实际应用。
快堆中比较出名的是法国超凤凰，和日本的文殊。前者是唯一商业运营的快堆，后来因成本高昂，又关闭了；后者是因为核燃料机械臂直接掉进反应堆堆芯，几吨中的机械臂直接砸下去了！现在增值的核燃料也无法取出，越烧越多，也不知道日本怎么收场（这两个快堆都是钠冷堆）。
   还有一种快堆，是利用钍232，吸收中子变成铀233，铀233也是一种核燃料。对这种反应堆感兴趣的国家是印度中国，这两个国家钍储藏量一个世界第一，一个世界第二，而且，钍的储藏量比铀高几十倍。不过钍堆似乎还没有走出实验室，连实验堆都没有什么消息，不过美国倒用其他反应堆生产过铀233，作为核武器装药，因为它的临界体积最小。
   除以上反应堆外，还有啥超临界反应堆，都只是图纸堆而已。
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