青少年喜欢的科技前研:什么是轻水堆和重水堆

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什么是轻水堆和重水堆?

青少年喜欢的科技前研:什么是轻水堆和重水堆插图

热中子反应堆是一种进行核裂变的反应堆。目前,已经实用化的热中子反应堆有轻水堆和重水堆。现在使用的多为轻水堆。

在轻水堆中,水被兼作减速(和石墨一样起控制反应速度的作用)和冷却用。轻水堆又可分压水型和沸腾水型的,现大多数核电站用的都是压水型的。

压水堆最初被用来作核潜艇的动力。它的冷却水分为一次系统和二次系统两部分:一次系统的冷却水保持在约160个大气压这样的高压,所以加热到约325℃仍可保持为液体状态。为了吸收核裂变中的中子,水中加入一点硼用以调整核反应的速度。一次冷却水直接同核裂变部分接触,将它产生的热量带走,经由蒸汽发生器进行热交换,使二次冷却水被加热到沸腾。

二次冷却水在60个大气压下被加热到275℃,成为蒸汽用来驱动发电用的汽轮机。

压水堆是利用浓缩铀工厂提供的低浓度铀-235作为核燃料。

轴-235是铀的一种放射性同位素,也是自然界中惟一存在的裂变核燃料,裂变中产生的中子,或被燃料棒中的铀-238所吸收,或使铀-235发生裂变,或逸出于燃料棒之外。

如果中子运动速度过快,则使铀-235发生裂变的机会变小了,所以要用(轻水或重水)和石墨作为减速材料,放在燃料棒四周,使中子速度减慢以有助于使铀-235发生裂变,减速后的中子能量最后都变为热能,为了把它送到外部,需要使用冷却材料(通常也用水)。

同时,把含有硼等吸收中子物质的控制棒放在堆芯中,当它插人燃料中时,产生的中子数量达不到临界值,裂变无法连续进行下去。当控制棒拔起来时,中子数目加多,通过连锁反应,铀的裂变便可连续进行下去。这种速度变慢的中子被称为热中子,利用热中子使铀-235裂变的核反应堆,称为热中子反应堆。

热中子反应堆中的重水堆,因它所用的冷却剂是重水(D20)而得名,它与轻水堆核电站相比,具有以下五个特点:

  • 第一,因重水的慢化性能好,吸收中子少,能用天然铀作燃料,因而,发展重水堆核电站,不需要建立造价昂贵的铀同位素分离厂或浓缩铀厂
  • 第二,重水堆转换率比较高,约为80%,可以更有效地利用天然铀。
  • 第三,重水堆的燃料烧得较透,铀-235含量低于通常的尾料浓度,约为0.25%,可以把它们暂时储存起来,等到快堆需要时再提取其中的环,而不必急于进行处理,这就使燃料循环大为简化,从而使费用降低。
  • 第四,在各种热中子堆中,重水堆所需天然铀量很少,同时,使所需的初装料和年需换料量也最小。
  • 第五,重水堆对燃料的适应性很好,既能用天然铀或浓缩铀作燃料,又可以用铀-233、铀-235或钚-239以及它们的任何组合作裂变材料,并从种燃料循环改变为另一种循环也很容易。

再者,重水堆中生成的钚,一部分在堆内参加裂变放出能量,另一部分则包含在燃料中,其净产钚量要比轻水堆多1.4~1.8倍。这样,发展重水堆电站,可为发展快中子增殖反应堆电站积累更多的钚。

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