核能及反應(yīng)堆簡(jiǎn)介

核能E=mc^2

核裂變

裂變只有一些質(zhì)量非常大的原子核像鈾、釷和钚等才能發(fā)生核裂變。這些原子的原子核在吸收一個(gè)中子以后會(huì)分裂成兩個(gè)或更多個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)放出二個(gè)到三個(gè)中子和很大的能量，又能使別的原子核接著發(fā)生核裂變，使過(guò)程持續(xù)進(jìn)行下去，這種過(guò)程稱(chēng)作鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。原子核在發(fā)生核裂變時(shí)，釋放出巨大的能量稱(chēng)為原子核能。1千克鈾-238的全部核的裂變將產(chǎn)生20,000兆瓦小時(shí)的能量(足以讓20兆瓦的發(fā)電站運(yùn)轉(zhuǎn)1,000小時(shí))，與燃燒2500噸煤釋放的能量一樣多。核反應(yīng)堆可控自持的核裂變反應(yīng)壓水堆沸水堆重水堆高溫氣冷堆鈉冷快堆釷基熔鹽堆（TMSR）壓水堆壓水堆使用加壓輕水（即普通水）作冷卻劑和慢化劑，且水在堆內(nèi)不沸騰的核反應(yīng)堆。燃料為低濃鈾。20世紀(jì)80年代，被公認(rèn)為是技術(shù)最成熟，運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的堆型。

壓水堆本體剖面圖壓水堆燃料組件圖沸水堆以沸水堆為熱源的核電站。沸水堆是以沸騰輕水為慢化劑和冷卻劑并在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)直接產(chǎn)生飽和蒸汽的動(dòng)力堆。沸水堆與壓水堆同屬輕水堆，都具有結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、建造費(fèi)用低和負(fù)荷跟隨能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它們都需使用低富集鈾作燃料。沸水堆核電站系統(tǒng)有：主系統(tǒng)（包括反應(yīng)堆）；蒸汽-給水系統(tǒng)；反應(yīng)堆輔助系統(tǒng)等。但發(fā)電廠房要做防核處理。重水堆重水堆是以重水作慢化劑的反應(yīng)堆，可以直接利用天然鈾作為核燃料。重水堆可用輕水或重水作冷卻劑，重水堆分壓力容器式和壓力管式兩類(lèi)。高溫氣冷堆用氦氣作冷卻劑，出口溫度高的核反應(yīng)堆。高溫氣冷堆采用涂敷顆粒燃料，以石墨作慢化劑。堆芯出口溫度為850~1000℃，甚至更高。核燃料一般采用高濃二氧化鈾，亦有采用低濃二氧化鈾的。根據(jù)堆芯形狀，高溫氣冷堆分球床高溫氣冷堆和棱柱狀高溫氣冷堆。高溫氣冷堆具有熱效率高（40%~41%），燃耗深（最大高達(dá)20MWd/t鈾），轉(zhuǎn)換比高（0.7~0.8）等優(yōu)點(diǎn)。由于氦氣化學(xué)穩(wěn)定性好，傳熱性能好，而且誘生放射性小，停堆后能將余熱安全帶出，安全性能好。

鈉冷快堆以液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑的快中子反應(yīng)堆高的熱導(dǎo)率，低壓的鈉系統(tǒng)，鈉對(duì)快堆材料腐蝕甚微，熔融燃料與鈉無(wú)劇烈相互作用，鈉輻照后不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性核素，有足夠的運(yùn)動(dòng)粘度和熱膨脹系數(shù)，易于設(shè)計(jì)非能動(dòng)事故余熱排出系統(tǒng)等。中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆是一座熱功率65

MW、電功率20

MW的鈉冷池式快堆，除具有上述固有安全特征外，它還設(shè)計(jì)有負(fù)的溫度效應(yīng)、功率效應(yīng)和堆芯鈉空泡效應(yīng)，設(shè)有獨(dú)立的非能動(dòng)事故余熱排出系統(tǒng)、非能動(dòng)接鈉盤(pán)、堆容器非能動(dòng)超壓保護(hù)系統(tǒng)、非能動(dòng)冷卻的堆芯熔化收集器等，以及具有完備可靠的主動(dòng)安全系統(tǒng)。中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆達(dá)到了第四代核電系統(tǒng)的安全目標(biāo)。釷基熔鹽堆（TMSR）未來(lái)先進(jìn)核裂變能優(yōu)勢(shì)：1.熔鹽堆安全，釷元素量多，可解決鈾礦不足的問(wèn)題。2.在堆芯區(qū)域沒(méi)有高壓蒸汽，只有低壓的熔融鹽。挑戰(zhàn)：1.在致密的熔鹽堆芯中，高中子通量和高溫能改變石墨慢化元件的形狀2.熔鹽的提純，有毒產(chǎn)物的處理世界第四個(gè)散裂中子源預(yù)計(jì)2018年建成

散裂中子源作為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理想“探針”，應(yīng)用十分廣泛，建成后，它能為我國(guó)在物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、納米科學(xué)、醫(yī)藥和新型核能開(kāi)發(fā)等學(xué)科前沿領(lǐng)域的研究提供一個(gè)功能強(qiáng)大的先進(jìn)科研平臺(tái)。核電站中國(guó)核電站分布核聚變相比核裂變，核聚變幾乎不會(huì)帶來(lái)放射性污染等環(huán)境問(wèn)題，而且其原料可直接取自海水中的氘，來(lái)源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。以磁約束Tokamak為驅(qū)動(dòng)源的混合堆

中國(guó)科學(xué)家在自行設(shè)計(jì)研制的國(guó)際首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置EAST這一研究平臺(tái)上，針對(duì)未來(lái)ITER400秒高參數(shù)運(yùn)行的一些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)展了全面的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)集成創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了411秒、中心等離子體密度約2×1019m-3、中心電子溫度大于兩千萬(wàn)度的高溫等離子體放電，以一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升再創(chuàng)國(guó)際最長(zhǎng)時(shí)間記錄，同時(shí)還獲得了大于30秒的高約束等離子體放電，標(biāo)志著我國(guó)在穩(wěn)態(tài)高約束等離子體研究方面走在國(guó)際前列，也為國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)聚變堆ITER和我國(guó)未來(lái)獨(dú)立設(shè)計(jì)建設(shè)運(yùn)行聚變堆奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。

優(yōu)點(diǎn)1.采用次臨界堆包層后，混合堆可實(shí)現(xiàn)具有商業(yè)規(guī)模的能量輸出，與現(xiàn)有壓水堆/沸水堆水平相當(dāng);2.采用次臨界堆包層后，容易實(shí)現(xiàn)聚變堆芯的氖自持;其主要難點(diǎn)在于:1.采用液態(tài)金屬冷卻的設(shè)計(jì)都面臨MHD問(wèn)題;2.脈沖源驅(qū)動(dòng)的次臨界堆要