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原子能反应堆

原子能也叫核能。 核能是通过转化其质量从原子核释放的能量,符合阿尔伯特爱因斯坦的方程E=mc&sup2(E等于m乘以c的平方);,其中E=能量,m=质量,c=光速常量。

核裂变,打开原子核的结合力。

核聚变,原子的粒子熔合在一起。核衰变,自然的慢得多的裂变形式。

原子由带正电荷的原子核和核外带负电荷的电子组成。普通化学反应的热效应来源于外层电子重排时键能的变化,而原子核及内层电子并没有变化。另外还有一类反应的热效应却来源于原子核的变化,这类反应叫核反应。核反应可分为核衰变、核裂变和核聚变三大类。

为了能在正常环境下把核反应释放的核能安全地应用到日常生活、生产中,多由于发电,所需要采取的设施,即核燃料和控制棒组成的反应堆,俗称原子能反应堆。

1942年12月2日美国曼哈顿计划期间,意大利物理学家恩利克费米领导的研究组人员全体集合在美国芝加哥大学Stagger Field 的一个巨大石墨型反应堆前面。这时由费米发出信号,紧接着从那座埋没在石墨之间的7吨铀燃料构成的巨大反应堆里,控制棒缓慢地被拔了出来,随着计数器发出了咔嚓咔嚓的响声,到控制棒上升到一定程度,计数器的声音响成了一片,这说明连锁反应开始了。这是人类第一次释放并控制了原子能的时刻,这个反应堆被命名为“芝加哥一号堆"(Chicago Pile-1),它标志着原子能反应堆的诞生。 [1]

1949年之后,前苏联、英国、法国、日本都相继建成了原子能反应堆。1954年前苏联建成世界上第一座原子能发电站利用浓缩铀作燃料,采用石墨水冷堆,电输出功率为5000千瓦。1956年,英国也建成了原子能电站。

1981年1月15日,中国第一座原子能反应堆改建成功。这座反应堆是1956年5月开始兴建的,两年后正式运转。反应堆是使原子核分裂维持链式反应的一种装置,是当时利用原子核内部能量的主要形式。反应堆释放出的热能可以用来发电,作为轮船、火车、飞机等的动力装置。利用反应堆可以制造同位素和进行科学研究。中国第一座原子能反应堆的主要用途就是进行科学试验和制造同位素。它是用铀做燃料,用重水作慢化剂和导热剂,所以叫做实验性重水型反应堆。它的建成是中国开始跨入原子能时代的标志。这座反应堆的热功率是7千至1万千瓦。反应堆经改建后运转正常,加强功率比改建前提高了50%,最大热中子通量增加了一倍多,反应堆的辐照空间也增加了2.6倍,仍用低浓度铀作为燃料。

到2030年左右,日美欧各国现在运行的核电站原子能反应堆大部分即将到期并将陆续退役。面对这种严峻局面,日本、欧美目前都在加紧研发新一代原子能反应堆。

例如日本东京大学正和加拿大共同研发的“超临界水反应堆”,其冷却剂使用“超临界水”。这种水既具有液体性质又具有气体性质,热传导效率远远优于普通的“轻水”。东京大学的冈芳明教授说:超临界水反应堆“只有一般反应堆的一半大小,建设费可节约30%-40%,发电费用可降低30%”。他们开发的目标是2030年达到实用化水平。

日本原子能研究所则将开发重点放在新型增殖快堆上。这种新型增殖快堆称为“低减速频谱反应堆”,其原理和“文殊号”增殖快堆相同。“文殊号”快堆自1995年发生液钠泄漏事故以来,现在仍未恢复运转。为了增加反应堆的安全性,控制发电成本,新型增殖快堆的冷却剂不再采用液钠而改用水。目前,日本把这种水增殖快堆作为普通反应堆向液钠增殖快堆过渡的一种反应堆来进行开发。有了这种反应堆,用中子撞击核电站核废料的钚238就可以得到热发电,同时也可产生能作为燃料的钚239。

法国正在研究开发“超高温气体反应堆”和“气体高速反应堆”。“超高温气体反应堆”利用1000℃以上的气体,“气体高速反应堆”则利用1000℃以下的气体。另外,法国还在研究开发“溶融盐反应堆”,试图利用含锂和铀的高温溶融盐发电。

英国提出的液钠冷却高速增殖快堆仍十分受重视,关键是增加了液钠使用中的安全性。俄罗斯研究开发的是“铅冷却反应堆”,与液钠相比,液态铅的安全性要高得多。

美国自1999年开始实施“第四代计划”,在开发新型反应堆的同时,加强了核废料的循环再利用研究。2002年7月,美国在下述三原则的前提下决定了6种新型反应堆研究开发的方针。三原则为:1、发电成本、建设费用低廉;2、不易发生事故;3、核废料难以转用于武器制造。其选择的6种新型反应堆为:超高温反应堆、气体高速反应堆、超临界水反应堆、铅冷却反应堆、钠冷却反应堆及溶融盐反应堆。


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