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科技化時代的*核能*認識(三)

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科技化時代的*核能*認識(三)

 

人類歷史上公認的第一個核反應爐是由恩里科·費米1942芝加哥大學負責設計建造的Chicago Pile-1;該核反應爐輸出功率僅為0.5W1954蘇聯建成了世界上第一座純民用的AM-1 Obninsk 原子能發電站,裝機容量為5百萬瓦。1960,美國製造8座輸出達2 MW的攜帶型核子反應爐Alco PM-2A供應該國陸軍在格陵蘭Camp Century計畫使用。 1972,法國工人們在非洲加彭奧克洛Oklo)地區發現了,輸出達100kW的遠達20億年前天然形成的子反應爐。

 

核反應爐有許多種不同的分類方法 按用途分類,可以分為:動力核反應爐。/研究核反應爐。/生產核反應爐(快中子增殖反應爐)。

按照反應爐慢化劑和冷卻劑的不同,可以分為:

 

1.輕水堆壓水反應爐沸水反應爐):輕水型反應爐使用相對分子質量為18的輕水作為慢化劑和冷卻劑。

2.重水堆:重水堆可按結構分為壓力槽式和壓力管式兩類。兩者都使用重水做慢化劑,但前者只能用重水做冷卻劑後者卻可用重水、輕水、氣體等物質做冷卻劑。

3.石墨氣冷堆。/4.石墨液冷堆

 

按照反應爐中中子的速度,可以分為:熱中子堆。/快中子堆

 

核子動力(Nuclear power,也稱原子能)是利用可控核反應來獲取能量,從而得到動力熱量電能。產生核電的工廠被稱作核電站,將核能轉化為電能的裝置包括反應爐汽輪發電機組核能在反應爐中被轉化為熱能,熱能將水變為蒸汽推動汽輪發電機組發電。

 

因為核輻射問題和現在人類還只能控制核裂變,所以核能尚未得到所有國家、民眾的認可,在大部分的國家暫時未有大規模的利用。利用核反應來獲取能量的原理是:當裂變材料(例如鈾-235)在受人為控制的條件下發生核裂變時,核能就會以熱的形式被釋放出來,這些熱量會被用來驅動蒸汽機。蒸汽機可以直接提供動力,也可以連接發電機來產生能。世界各國軍隊中的某些潛艇航空母艦以核能為動力(主要是美國)。

 

根據國際能源署的資料,2007全球電力有13.8%由核能提供。在2009底,全球有436核反應爐分佈在30國家,有370GW裝機容量(滿載時的輸出)。美國每年產生的核能居全世界首位,美國人消耗的電能中有20%來自於核能。如果按核能佔總電能的百分比來看,法國則為全球第一。2006的調查顯示,核能滿足了78%的法國電能需求。歐盟需要的30%的電能來自核反應。各國的核能政策均各有不同。

 

核能是一種儲量充足並被廣泛應用的能量來源,而且如果用它取代化石燃料來發電的話,溫室效應也會減輕。國際間正在進行對於改善核能安全性的研究,科學家們同時還研究可控核聚變和核能的更多用途,比如說制(氫能也是一種被廣泛提倡的清潔能源),海水淡化和大面積供熱。1979三哩島核泄漏事故1986車諾比核事故使美國放緩了建造核能發電廠的步伐。後來,核能在經濟與環境兩方面的益處使聯邦政府又開始重新考慮它。公眾也對核能很感興趣,不斷飆升的油價,核能發電廠安全性的提高和符合京都議定書規定的低溫室氣體排放量使一些有影響的環境保護論者開始注意核能。有一些核反應爐已處於建造當中,幾種新型核反應爐也在計劃之中。

 

關於核能的利用一直存在著爭議,因為那些放射性核廢料會被無限期保存起來,這就有可能造成泄漏或爆炸,有些國家可能借應用核能的名義來大量製造核武器。核能的擁護者說這些風險都是很小的,並且應用了更先進的科技的新型核反應爐會將風險進一步降低。他們還指出,與其它化石燃料發電廠相比,核能發電廠的安全記錄反而更好,核能產生的放射性廢料比燃燒煤產生的還少,並且核能可以持續獲得。而核能的反對者,包括了大部分主要的環境保護組織,認為核能是一種不經濟,不合理且危險的能源(尤其是與可再生能源相比),而且他們對新技術能否減低成本和風險也存在著爭議。有些人擔心朝鮮伊朗可能正在以民用核能的名義研製核武器。朝鮮已經承認擁有核武器,而伊朗則對此否認。

 

第一個成功的核裂變實驗裝置在1938年的柏林德國科學家奧托·哈恩莉澤·邁特納弗瑞茲·斯特拉斯曼製成。第二次世界大戰中,一些國家致力於研究核能的利用,它們首先研究的是核反應爐1942122日,恩里科·費米在芝加哥大學建成了第一個完全自主的鏈式核反應爐,在他的研究基礎上建立的反應爐被用來製造轟炸了長崎的原子彈「胖子」中的。在這個時候,一些國家也在研究核能,它們的研究重點是核武器,但同時也進行民用核能的研究。

 

19511220日人類首次用核反應爐產生出了電能,這個核反應爐位於愛德荷州ArcoEBR-I試驗增殖反應爐,它最初向外輸出的功率為100kW1952,帕雷委員會(「總統的材料政策委員會」的簡稱)向當時的美國總統哈利·S·杜魯門提交了一份報告,這份報告認為核能的前景「相當悲觀」,它建議應該讓科學家們研究太陽能195312月,美國總統德懷特·艾森豪發表的名為「和平需要原子」的演說,這使美國政府開始資助一系列國際間的核能研究。

 

1954627,世界上第一個為電網提供電力的核電站在蘇聯歐伯寧斯克開始運行。這個反應爐使用了石墨來控制核反應並用水來冷卻,功率為5兆瓦。全世界第一個投入商業運營的核反應爐是位於英格蘭設菲爾德Calder Hall,它於1956年開始運行。它有一個Magnox型反應爐,最初的輸出功率為 50兆瓦,後來提高到了200兆瓦。賓夕法尼亞州碼頭市的一個壓水型反應爐是美國第一個投入商業運營的反應爐。

 

1954年,美國原子能委員會美國核管理委員會的前身)的主席說,人們談到核能時經常會提到,如果廣泛應用核能,電力在將來會變得很便宜,實際上這是錯誤的。但是人們的這種想法已經讓美國決定在2000年之前建造1000個核反應爐。

 

1955聯合國的「第一次日內瓦會議」中,世界上聚集了最多的科學家來一起探索核能這個新領域。1957年,歐洲原子能共同體EURATOM)與歐洲經濟共同體(即現在的歐盟)一同成立。同年成立的還國際原子能機構IAEA)。

 

核反應爐的功率提升迅速,從1960年代的不到1GW吉瓦GigaWatt)猛長至1970年代的100GW1980年代又升到了300GW1980以後,核反應爐的功率的提升變得不那麼迅速了,到2005年,功率只上升到了366GW,大部分來自於中國的核能建設。

 

1970年代和1980年代之間,建造核電站所需的巨額費用(來自政府要求的提高和一些反對者的訴訟所要求的經常性改進)和下降中的化石燃料價格使建造當中的核電站變得不那麼吸引人。

 

20世紀後半葉,一些反對核能的運動開始興起,它們擔心的是核事故核輻射,還反對生產,運輸和儲藏核廢料1979年的三哩島核泄漏事故1986年的車諾比核事故成為了許多國家停止建造新核電站的關鍵理由。澳大利亞1978年,瑞典於1980義大利1987年都對建造核電站的問題發動了全民公投,同時愛爾蘭的核能反對者成功地阻止了在該處核能計劃的實施。但布魯金斯學會表示,美國政府沒有批准新核電站的建造主要是由於經濟原因,而非安全問題。

 

現今正在運營的核反應爐可依裂變的方式區分為兩大類,各類中又可依控制裂變的手段區分為數個子類別:

 

核裂變反應爐通過受控制的核裂變來獲取核能,所獲核能以熱量為形式從核燃料中釋出。

 

a.現行核電站所用的全為核裂變反應爐,這也是本段的主述內容。核裂變反應爐的輸出功率為可調。核裂變反應爐也可依世代分類,比如說第一、第二和第三代核反應爐。現在的標準核反應爐都為壓水式核反應爐PWR)。

 

b.快中子式核反應爐和熱中子式核反應爐的區別會在稍後講到。總體來說,快中子式反應爐產生的核廢料較少,其核廢料的半衰期也大大短於其它型式反應爐所產生的核廢料,但這種反應爐很難建造,運營成本也高。快中子式反應爐也可以當作增殖型核反應爐,而熱中子式核反應爐一般不能為此。

 

A.壓水反應爐PWR

這種反應爐完全以高壓水來冷卻並使中子減速(即使在溫度極高時也是這樣)。大部分正在運行的反應爐都屬於這一類。儘管在三哩島出事的反應爐就是這一種,一般仍認為這類反應爐最為安全可靠。這是一種熱中子式核反應爐。中國大陸秦山核電站一期工程、大亞灣核電站台灣核三廠的反應爐為此型。

 

B.沸水反應爐BWR

這些反應爐也以輕水作為冷卻劑和減速劑,但水壓較前一種稍低。正因如此,在這種反應爐內部,水是可以沸騰的,所以這種反應爐的熱效率較高,結構也更簡單,而且可能更安全。其缺點為,沸水會升高水壓,因此這些帶有放射性的水可能突然泄漏出來,。這種反應爐也佔了現在運行的反應爐的一大部分。這是一種熱中子式核反應爐。台灣核一廠核二廠兩座發電廠的反應爐為此型。

 

C.壓重水式核反應爐PHWR

這是由加拿大設計出來的一種反應爐,(也叫做CANDU),這種反應爐使用高壓重水來進行冷卻和減速。這種反應爐的核燃料不是裝在單一壓力艙中,而是裝在幾百個壓力管道中。這種反應爐使用天然為核燃料,是一種熱中子式核反應爐。這種反應爐可以在輸出功率開到最大時添加核燃料,因此能高效利用核燃料(因為可作精確控制),並節省濃縮鈾的成本;只是重水很貴。大部分壓重水式反應爐都位於加拿大,有一些出售到根廷中國印度(未加入防止核武器擴散條約)、巴基斯坦(未加入防止核武器擴散條約)、羅馬尼亞南韓。印度也在它的第一次核試爆後運行了一些壓重水式核反應爐(一般被稱為「CANDU的變種」)。中國大陸秦山核電站三期工程的反應爐為此型。

 

D.石墨輕水型核反應爐(RBMK

這是一種蘇聯的設計,它在輸出電力的同時還產生。這種反應爐用水來冷卻並用石墨來減速。RBMK型與壓重水型在某些方面具有相同之處,即可以在運行中補充核燃料,並且使用的都是壓力管。但是與壓重水型不同的是,這種反應爐不穩定,並且體積太大,無法裝置在外罩安全殼的建築物里,這點很危險。RBMK型還有一些很重大的安全缺陷,儘管其中一些車諾比核事故後被改正了。一般認為RBMK型是最危險的核反應爐型號之一。車諾比核電站擁有四台RBMK型反應爐。

 

E.氣冷式反應爐(GCR)和高級氣冷式反應爐AGCR

這種反應爐使用石墨作為減速劑,並用二氧化碳作為冷卻劑。其工作溫度較壓水式反應爐更高,因此熱效率也更高。一部分正在運行的反應爐屬於這一類,大部分位於英國。老式的核電站(也就是Magnox式)已經或即將關閉。但高級氣冷式核反應爐還會繼續運行1020年。這是一種熱中子式核反應爐。關閉這種核電站的費用很高,因其反應爐核心很大。

 

F.液態金屬式快速增殖核反應爐LMFBR

這種反應爐使用液態金屬作為冷卻劑,而完全不用減速劑,並且在發電的同時生產出比消耗量更多的核燃料。這種反應爐在效率上很接近壓水式反應爐,而且工作壓力不需太高,因為液態金屬即使在極高溫下也不需加壓。法國超級鳳凰核電站和美國費米-I核電站用的都是這種反應爐。1995年,日本的「文殊」實驗反應爐發生液態泄漏,預計將會在2008年重新開始運行。這三個核電站都用到了液態。這是一種快速中子式反應爐而不是熱中子式反應爐。液態金屬式反應爐分為兩種:

 

a.液態鉛式反應爐

這種反應爐使用液態來作為冷卻劑,鉛不但是隔絕輻射的絕佳材料,還能承受很高的工作溫度。還有,鉛幾乎不吸收中子,所以在冷卻過程中損失的中子較少,冷卻劑也不會變成帶放射性。與不同的是,鉛是惰性元素,所以發生事故的機率也較小,但是,應用如此大量的就不得不考慮毒性問題,而且清理起來也很麻煩。這種反應爐經常用的是鉛鉍共熔合金。在這種情況下,會產生一些小的放射性問題,因為它會吸收少量中子,而且也比更容易變得帶放射性。

 

b.液態鈉式反應爐

大部分液態金屬式反應爐都屬於這一種。鈉很容易獲得,而且還能防止腐蝕。但是,鈉遇水即劇烈爆炸,所以使用時一定要小心。雖然這樣,處理鈉爆炸並不比處理壓水式核反應爐中超高溫輕水的泄漏麻煩到哪裡去。1.放射性同位素溫差發電機通過被動的衰變來獲取熱量。2.一些放射性同位素溫差發電機被用來驅動太空探測器(比如卡西尼-惠更斯號),蘇聯的一些偏遠地區燈塔,和某些心臟起搏器。這種發電機產生的熱會隨著時間逐漸減少,其熱能通過熱電效應轉換成電能。

 

一般核電站的關鍵部分是:核燃料。/反應爐燃料棒。/中子減速劑。/冷卻劑 。/控制棒。/反應爐壓力槽。/反應爐中心緊急冷卻系統。/反應爐保護系統。/蒸汽發生器(沸水式反應爐中沒有這個)。/安全殼建築。/水泵。/渦輪機 。/發電機。/冷凝器

 

一般的熱電廠都有燃料供應來產生熱,比如說天然氣石油。對於核電廠來說,它需要的熱來自於核反應爐中的核裂變。當一個相當大的可裂變原子核(一般為鈾-235鈽-239)被一個中子轟擊時,它便分裂為兩個或更多個部分,同時釋放出能量和中子,這個過程就叫做核裂變。原子核釋放出的中子會繼續轟擊其它原子核。當這個鏈式反應被控制的時候,它釋放出的能量便可用來燒水,產生出的水蒸氣會驅動渦輪機,從而產生電能。需要記住的是,核爆炸中發生的是「不受控制的」鏈式反應,而核反應爐中的裂變速度無法達到核爆炸所需要的速度,這是因為商業用核燃料的濃度還不夠高。

 

鏈式反應被一些能夠吸收或減慢中子的材料控制著。在以為核燃料的反應爐當中,中子需要被減慢速度,因為當慢速中子轟擊鈾-235原子核時是更容易發生裂變的。輕水反應爐使用普通水來減慢中子並進行冷卻。當水的溫度升高到一定程度時,它便到了工作溫度,此時它的密度會降低,因此沒被它吸收的少量中子會被減得足夠慢,然後去引發新的裂變。負反饋將裂變速度保持在一定水平。()



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