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19.7: 核能
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Nuclear Power
 
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19.7: 核能

受控核裂变反应被用于发电。 任何通过中子轰炸裂变铀或钚的裂变产生动力的核反应堆都有六个组成部分:由裂变材料组成的核燃料,一 个核减速剂、一个中子源、控制杆、反应堆冷却液、以及护罩和防护系统。

核燃料

核燃料由铀 -235 等裂变同位素组成,其数量必须足够,以提供可自我维持的链反应。 在大多数加压水反应堆中,每个燃料组件都由燃料棒组成,燃料棒中含有许多由陶瓷封装的高浓缩铀 (通常是 UO2) 燃料颗粒。 现代核反应堆可能含有多达 1 000 万颗燃料弹粒。

铀 -235 是一种有用的燃料,因为它平均每一裂变生产一个以上的中子,但其自然丰度按重量约为 0.7%。 大多数动力反应堆要求其燃料按重量至少浓缩到铀 -235 的 3% 至 5%。

核减速剂

核反应产生的中子移动过快,无法可靠地导致 U-235 裂变。 首先必须放慢速度,让燃料吸收,并产生更多的核反应。 核减速剂是一种能将中子减速至足以引起裂变的速度的物质。 早期反应堆使用高纯度石墨作为减速剂。 现代反应堆通常使用重水或轻水作为减速剂。

由于中子的大小与氢核的大小相似,当它们撞击水分子中的氢原子时,它们会丢失大量的动能数量。 重水是一种更好的减速剂,因为子宫已有中子,并且不可能像氢 -1 那样吸收另一种中子。 水和石墨等减速剂也可用作中子反射器,以使中子在核心中保持均匀分布。

中子源

尽管铀 -238 和铀 -235 自发裂变,但过程是不可预测的,这些内在来源产生的中子极少。 因此,反应堆需要中子发射器来启动裂变链反应。 反应堆中安装了铍 -9 等中子源和 α 发射体 (如镅 -249 或钚 -239) ,用于产生中子,以启动链反应。

控制杆

反应器的功率水平由中子乘法因子描述,由 K 表示 这是一代裂变产生的中子数量与上一代裂变产生的中子数量的比率。

当 k 为小于 1 时,反应器是次临界的,能量输出正在下降;当 k 等于 1 时,反应器是临界的,能量输出是稳定的;当 k 为大于 1 时,反应器是超临界的,能量输出正在增加。

核反应堆使用控制杆来控制核燃料的裂变率值,方法是调整存在的慢速中子数量,使链反应的率值保持在安全水平。 控制杆由硼、镉、铪或其他能够吸收中子的元素组成。

当控制杆总成插入反应器芯的燃料元件时,它们会吸收较大部分的慢速中子,从而降低裂变反应的率值并降低产生的功率。 相反,如果拆下控制杆,吸收的中子越少,裂变率值和能量的产量就会增加。 在紧急情况下,通过将所有控制杆完全插入燃油杆之间的核芯,可以关闭链条反应。

反应堆冷却剂

在加压水反应堆中,反应堆冷却液被用来将裂变反应产生的热量输送到外部锅炉和涡轮机,然后在那里将其转化为电能。 通常使用两个热交换冷却液回路来防止污染的冷却液流入蒸汽涡轮和冷却塔。 最常见的情况是,水被用作冷却液。 专门反应堆中的其他冷却液包括熔融钠,铅,铅比粘混合物或熔融盐。 大型双曲热冷却塔可冷凝辅助冷却回路中的蒸汽,通常位于与实际反应堆的某种距离处。

屏蔽与围护系统

加压水反应堆配备了一个通常由三部分组成的封闭系统 (或防护罩) : (i) 一个厚度为 3 – 20 厘米的钢壳;壳体内的减速剂吸收了反应堆产生的大部分中子辐射; (ii) 一个由 1 – 3 米高密度混凝土制成的主护罩,可吸收 γ º C 光线和 X 射线;(iii)额外的护罩,可吸收 (i) 和 (ii) 屏蔽过程中的入射辐射。 此外,加压水反应堆通常被一个钢或混凝土圆顶覆盖,该圆顶设计用于容纳反应堆事故可能释放的任何放射性材料。

本文改编自  Openstax, 化学 2e, 第21.4节:嬗变与核能。

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