核反应堆和核电站2

5核电站作为一种新能源的特点1）核电站的经济性一座1000MW的核电站，每年只需30吨左右的核燃料，而同功率的煤电站，每年需330万吨的煤炭。发电站每度电的成本包括建造投资费、燃料循环费及运行维护费。建造费燃料费核电站60~70%~30%煤电站20~30%60~70%核电站的建造费较高，约为同规模的煤电站的1.5倍，由于燃料成本是长期起作用的因素，所以核电成本低于煤电（绝大多数发展核电的国家都如此）。2）核电站对改善环境起重要作用一座1000MW的煤电站，一年要向大气排放77万吨的烟尘，6.1万吨CO2，1.3万吨氮氢化物，630公斤强致癌物质3-4苯并芘（每1000m3空气中苯并芘增加1微克，肺癌放生率就增加5-10%）。核电站不排放。由于煤渣及飘尘中含有铀、钍、镭和氡等天然放射性同位素，加上火电厂中煤的吞吐量大，又无防护措施，所以火电厂排放到环境中的放射性，比同规模的核电厂大几倍到几十倍，正常运行下核电厂放射性只有本底放射性的1%，火电厂消耗的煤太多，放射性污染难以控制。3）核电站的安全性核燃料在反应堆中裂变时，产生大量的放射性物质，因此，核电站是一个有很大潜在危险性的能源设施，对它必须处处设防，避免各种可能事故发生。核电站设计的安全标准很高，这是它建设投资成本的重要原因。压水堆核电站有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷块可耐高温，燃料组件包壳有很好密封，整个堆芯密封在压力容器（厚20cm的钢）内，有坚固的安全壳；因此安全性能够保证。两次严重人为核事故：1979年美国三里岛核电站二回路故障，造成失水，无法导出余热，部分燃料棒熔化、破损，放射性泄漏，但对环境影响不大。1986年切尔诺贝利核电站严重事故，也是人为造成的。停堆进行电机性能试验，切断安全保护系统，将堆内大部分控制棒迅速拔出，剩下8根时，反应堆功率失控，被切断的安全保护系统无法动作，引起爆炸与燃烧，堆芯熔化，放射性严重泄漏，大范围污染环境和大量人员死伤（31人死亡、203人放射病、400万人低剂量辐射）。发生事故技术上的原因：石墨水冷堆是军用生产堆基础上发展起来的，安全性低，体积庞大，为节省造价，无安全壳，发生事故时无法挽救。压水堆有多道保护屏障，是安全可靠的!6核裂变弹（原子弹）用235U或239Pu作燃料常密度r0下，无反射层，球体形状的临界质量：

235U

239Pu

MCO

~50kg

~16kg

密度r时的临界质量：例如，当r=2r0时，235U

及Pu裸球的临界质量就分别减为~12.5kg及~4kg。1）压拢型（“枪式”）：初始状态为分开的两部分（譬如说，两半球），每一部分都次临界（譬如说，<40kg235U)，然后用炸药使两部分很块压拢，达到高超临界。2）压紧型（“内爆式”）：初始状态为次临界状态的球（譬如说，常密度时30kg的235U球），然后用炸药从四周向内爆压，将铀的密度很块压到两倍以上，达到高超临界，压紧型用核燃料省，效率高。中心用中子点火器点火。原子弹结构原理中国第一次核试验的蘑菇云7加强弹、氢弹和中子弹1）加强型弹原子弹外围加一层6LiD，其外再加238U或天然铀包壳。利用原子弹爆炸时放出的中子，和6Li反应产生3H（氚）：所产生的3H再和氘D（即2H）在原子弹所提供的高温下产生热核聚变反应：反应中放出的高能中子（能量达14MeV左右），可使238U发生裂变，加强原子弹的威力。2）氢弹以6LiD为主要装料，用原子弹扳机提供的能量使6LiD达到高密度和高温状态，扳机提供的中子引发上述、两反应的快速循环。AZYUL氢弹结构原理由于不受临界尺寸的限制，6LiD装料可以很多，使氢弹达到几百万吨TNT当量以上的威力。调节238U或天然铀包层的厚薄可以增加或减少氢弹威力中的放射性成分（来自裂变产物）。第一次氢弹试验成功3）中子弹以氘（2H）及氚（3H）为主要装料，利用（尽可能小的）原子弹扳机提供的高温，引发热核聚变反应可用铍的（n，2n）反应，增加中子产额。（铍作包壳材料）：

8受控热核反应1）要实现聚变潜能的和平利用，必须设法使氘-氘或氘-氚的热核反应能受到人工控制。控制的难点在于：在能够有效进行热核反应的高温（108

K以上）下，氘、氚都会电离，变成等离子体状态，其热运动不易约束（因容器也会气化），而易飞散。若飞散过快，就来不及进行深度的热核反应。太阳和恒星内部进行的热核反应，受引力约束，不致飞散；相反，可以抗衡引力坍缩的倾向。地球上引力不足以约束高温氘、氚等离子体；已知的约束方法是：1磁约束；2惯性约束。（参看书P.50－51）约束高温等离子体的劳逊判据：DT反应DD反应n=粒子数/米3，t＝约束时间（秒），T=温度

受控热核聚变研究的重要里程碑1991年11月9日，英国牛津附近的欧洲联合核聚变实验室的装置JET首次成功地实现了受控热核聚变的试验。这次试验使用了0.2克氚，以86%氘和14%氚的比例混合氘和氚。实验中费了15MW电“点火”，使装置内达到了3108K,聚变持续了2秒钟，产生了1.7MW的电能，核聚变特征乘积ntT达到9.51020m-3·s·keV已十分接近ntT51021m-3·s·keV的指标要求，能量的输出与输入之比为1.7:150.11，说明，它离聚变能的商业性开发还相差很远。1993年12月9日~10日，美国普林斯顿大学等离子体实验室的托卡马克聚变试验反应堆TFTR进行了4次氘氚实验；最后一次的最高输出功率为6.4MW，实验中使用了50%的氘和50%的氚的混合物，温度达3~4亿度，消耗能量20MW。L=6.4:20=0.32。1994年5月的实验：9:20=0.45TFTR是美国能源部耗费14亿美元建造的，年度经费预算1亿美元。它还不能达到得失相当。必须扩大规模，使它输出的功率不但能补偿“点火”消耗的电能，还能产生约束等离子体的电磁场线圈所需的电能（约为点火电能的5倍），并使约束时间每次超过1小时。美国、欧共体、日本及俄国曾计划设计、建造一个规模更大的装置——国际热核试验性反应堆ITER，费用估计将达1000亿美元以上。后来因美国的不积极，进展部分停顿。中国环流器（HL-1M)核科学技术继续造福人类生命科学