核电站有哪几种类型

作者：吴铁民     核电站的类型，也就是核反应堆(原子反应堆)的类型。核反应堆是能维持可控自持链式核裂变反应装置。 1、核反应堆有多种用途     核反应堆按其用途不同，分为动力堆、生产堆、研究堆和其他用途的堆。每个反应堆同时具有多种用途，但设计时往往要偏重于某一方面的功能：核电反应堆侧重于提供热能；生产堆偏重于制造放射性同位素；增殖堆偏重于生产核燃料，等等。 2、核电站可划分为四代     第一大类的核电反应堆，也是第一代核电站，主要是20世50-70年代美国、前苏联、法国、英国建造的首批原型堆，其反应堆叫做热中子裂变反应堆，即热中子堆，简称“慢堆”。     第二类(第二代)是20世纪70年代至2000年投入使用的商业反应堆，目前多正在运行，主要有美国、欧洲、日本的压水堆（PWR）和沸水堆（BWR）；俄罗斯设计的轻水堆（VVER）；东欧的压力管式沸水堆（RBMK），以及加拿大和印度的坎杜重水堆；这些其反应堆多为快中子增殖反应堆，简称“快堆”。     第三类(第三代)反应堆派生于目前正在运行的反应堆，基于相同的原理，汲取了反应堆几十年来的运行经验，安全性更高，实际上，日本已建造了2台机组，根据发展走势，2010-2015年期间第三代反应堆将替代目前正在运行的第二代反应堆。     第四代反应堆尚上于研发阶级，是未来的系统，将会有重大的革新和发展，目前已有多种规划，预计将在2030年达到技术成熟，2035-2040年开始建造首批机组。     第一、二代核反应堆都是重原子核——235 U或239Pu，裂变成两个或两个以上中等重量的原子核时释放出核能；第三代反应堆是在第二代基础上更强调安全性的反应堆，第四代核反应堆目前尚处于研究中，至于核聚变反应堆将是未来发展的方向，它原理是两个轻原子核——氘核和氚核，聚合形成一个较重的原子核——氦核，释放出核能。第一、二、三代核电站都已经工业化；第四代核电站预计要经过相当长的时间，才能实现商业发电。 3、热中子反应堆，简称热堆     热堆所用的核燃料是235U。1克235 U核裂变所释放的能量相当于2．7吨标准煤完全燃烧所产生的能量。      235 U核裂变的发生，要靠中予去轰击；235 U受到中子轰击后其原子核发生裂变，产出两个或两个以上质量较轻的原子，同时释放出2～3个中子。这些中子再去轰击未裂变的铀核，从而实现链式反应。     为了实现平缓的核反应，以实现核能的均衡释放，反应堆用人工控制用于轰击铀核的中子数，使下一波中子的数量等于上一波中子的数量。此外，还要将中子“慢化”。因为动能为l兆电子伏特的中子，其速度达到每秒2万公里。中子的速度太快，很难打中小小的铀核。采用慢化剂(普通水、重水或石墨等)使中子的速度变慢(慢中子又称热中予)，中子就能有效地轰击铀核。所以，热中子堆又称热堆。 全世界的核电站，绝大多数是热堆，主要有以下5种：     (1)轻水堆：轻水堆用普通水作冷却剂(又称载热剂)和慢化剂。它有沸水堆(BWR)和压水堆(PWR)两种。我国在役和在建的轻水堆都是压水堆。     (2)重水堆：重水堆用重水作冷却剂和慢化剂。重水其分子中的氢是重氢——氘。氘核中有l个质子和l个中子，相对原子质量是2，所以可写成氢-2，占氢总量的七千分之一。     我国秦山核电公司的第三期工程建成的核电站，为重水堆(CANDU一6型)。轻水堆的核燃料中，235 U丰度为2％～5％，换料时要停堆。重水堆的核燃料中235 U丰度仅是铀元素的天然丰度0.72%，换料时不必停堆。 (3)高温气冷堆：它用氦气作冷却剂，石墨作慢化剂。 (4)石墨气冷堆：二氧化碳作冷却剂，石墨作慢化剂。 (5)石墨水冷堆：冷却剂是水，慢化剂是石墨。     我国2006～2020年《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(以下简称“纲要”)中，要求攻克核电重大装备制造的核心技术，把“大型先进压水堆和高温气冷堆核电站”的建设列为“重大专项”。 ’ 4、快堆     快堆，是快中子增殖反应堆的简称。冷却剂用金属钠，并正在研究气冷和铅冷。     在热堆中，丰度达99．2％的238U没有被利用而成的核废料。在快堆中，238U吸收l个中子，先后转化为2个短寿命核素239U(半衰期23．5分)和239Np(镎)(半衰期2．346天)，两者都经历一次贝它衰变，最后成为239Pu(钚)，239Pu为阿尔法放射体，半衰期2．4x 104年，易于裂变，是重要的核燃料。在快堆中，所生成的239Pu比消耗的235U来得多，所以快堆称之为增殖堆。快堆可使铀资源利用率提高60～70倍，同时可以消耗慢堆所产生的难以处理的长寿命的锕系元素(周期表中89号和89号以后的所有元素)，可以减轻地质处置核废料的负担。     在热堆中，热中子的平均能量为0．025兆电子伏特，在快堆中，中子能量大于0．1兆电子伏特，有时也把能量高于热中子能量的中子称为快中子。快堆中不用中子慢化剂。     我国于“863”制定后启动了快堆研究，世界上早在1951年美国就建成了功率为1400千瓦的快中子堆。现在全世界有20座快堆在运行，它们分别建在法、美、德、日、印度、韩国和俄罗斯，功率从几千千瓦到120万千瓦。我国的“纲要”中，把“快中子堆技术”列为“前沿技术”。今后l5年，“研究并掌握快堆设计的核心技术，相关核燃料和结构材料技术，突破钠循环关键技术，建成65mw(即6．5万kw)实验快堆，实现临界及并网发电。” 5、核聚变堆     1927年，奥地利人豪特曼斯和他的同伴们讨论太阳能来源的问题。认为太阳决非一般的燃烧过程，“否则太阳上的物质从亿万年以来，在放出这样大量热能过程中早已该耗尽了”。     他们开始了“太阳内部的热核反应理论的研究”，假设了“太阳能量的来源系由于轻元素原子的融合”。l934年，英国物理学家卢瑟福等首次实现了核聚变反应。1952年、l953年，美国和前苏联分别爆炸了热核装置——氢弹；l967年我国也实现了氢弹爆炸。     核聚变是两个轻原子核——氘和氚(氢-3)聚合成较重的原子核——4He(氦)，并释放出1个中子。氘可从水中提取：l升海水中含34毫克氘。地球上氘总量有40万亿吨，可供人类用200亿年；氚用锂的同位素—6Li(锂)转换；锂在地壳中含十万分之几，高原盐湖中，有可能含有较丰富的锂。     氘和氚的核聚变，目前还不可控，所以只能造氢弹。科学家们的研究证明，要实现受控的聚变，有两种途径：一个叫做磁约束，另一个叫做惯性约束。我国核工业西南物理研究院的托克马克装置属于磁约束类，并建成了中国环流器一号、新一号和二号三个装置。欧盟、日本、俄罗斯、加拿大等，正在积极推行新的国际热核实验堆计划。“纲要”把“磁约束核聚变”列为2005～2020年的“前沿技术”项目，“以参加国际热核聚变实验反应堆的建设和研究为契机”，对受控核聚变进行全面地攻关，同时开展对“某些以能源为目标的非托克马克途径的探索和研究”。