核能發電厰是如何發電的問与答

老爷子

　　人们见过风能发电，水能发电，火电厂发电，可是很少人知道核电厰是如何發電的？其实，核电厂发电跟火电厂发电有点类似，火电厂是把煤块磨粉（或油料）投入锅炉燃烧，把经过处理过的水加热变为蒸汽，再把蒸汽通过一系列辅助设备，使蒸汽达到临界或超临界状态，带动汽轮机转动，把热能转化机械能，带动发电机发电。那么核电厂发电和火电厰区别在哪里呢？主要在产生蒸汽的方法上。火电厂用锅炉，而核电厂是用核反应堆来代替火电厂的锅炉，（核反应堆有很多种）以核燃料（铀235）在核反应堆中发生特殊形式“燃烧”（核裂变）产生热量，来加热处理过的水，使之变成蒸汽，通过一系列装置，使蒸汽达临界或超临界状态，通过管路，进入汽轮机，由核能转化为机械能，带动发电机发电。那么，我们所关心的是，核反应堆是什么？它是如何工作的呢？

核反应堆是核电厂的心脏，它的工作原理是这样的：

我们知道，原子是由原子核与核外电子组成，而原子核是由质子与中子组成，当铀-235的原子核受到外来中子轰击時，一个原子核会吸收一个中子而分裂成两个质量较小的原子核，同时，还放出2-3个中子。由这裂变产生的中子又去轰击另外的铀-235原子核，引起新的裂变，如此继续进行，就形成了裂变的链式反应。而链式反应产生大量的热能，用循环水（或其它物质）带走热量，这样才能避免反应堆因过热而烧毁。导出的热量可以使水变成蒸气，再变成临界或超临界蒸气，推动汽轮机，带动发电机发电。

由此可知，，核反应对的基本组成是裂变原子核加上热载体。但是仅仅靠这两项是不能工作的。因为，高速的大量中子大量飞散，轰击，这就要求把中子的速度降下，降低与原子核碰撞的机会，这就是说，核反应堆必须要按人的意愿去决定工作状态，这就要有自动和手动的控制设施……另外，铀及裂变产物都有强烈的放射性，会对人体造成伤害，因此，必须有可靠的防护措施。所以，核反应堆的合理结构就应该是：核燃料十慢化剂十热载体十控制设施十防护装置。

　　首先，我们来谈谈发电厂用的核材料，一般现在核电厂用的都是铀235。其实。铀材料分为三种，鈾-238，鈾-235和铀-234，那么，为什么要用铀235呢？因为这三种鈾中，只有铀-235的原子核会发生裂变，同时释放出具大能量。一克铀-235中包舍的铀原子数量很多，但其所有原子核都裂变时，释放的能量可达820亿焦。（80焦耳相当于33.6吨TNT释放的能量）。一个直径为4.66厘米的铀-235球，释放的能量等同于45节火车车皮满载标准煤后释放的能量。

当鈾-235 受到某种外力时，会发生裂变，而铀-238和铀-234则不会。那么铀-235是如何发生裂变的呢？

当一个中子轰击铀-235原子核时，原子核会破碎，分裂成两个质量较小的原子核，并释放出2-3个中子，同时释放出约200兆电子伏特的能量。这个过程称为核裂变，产生的能量称为原子能或核裂变能，简称核能。如果新产生的中子，恰好又轰击到另外一个铀-235原子核，便会引起一个新的裂变，以此类推，如果裂变反应不断地持续下去，核能就连续不断地被释放出来，这就是铀核裂变的链式反应。在链式反应中，当大量的铀原子不受控制的发生裂变時，如果无法控制，就会发生爆炸。而链式反应如果得到控制，那它就可以温和而稳定的运行，使铀-235产生民用的核能。把此核能导出，就可通过一系裂装置，进行发电。那么，关键就是如何控制好铀-235的裂变。？那么如何控制呢？

　　在核反应堆中，速度与热运动相等的中子，最适合引发裂变。这样的中子就是“热中子”或称慢中子。但是，裂变产生的是速度很大的快中子，因此，还要没法使快中子减速，为此，要在铀棒周围要放“慢化剂”，快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后，中子能量减小，变为慢中子，常用的慢化剂有石墨，重水和轻水等。为了调节中子数目控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，镉棒吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒。

反应堆中还有专门提供中子的中子源，平时中子源产生的中子都被反应推的控制棒“吃”掉了。如果要启堆或提升功率，可提高控制棒的高度使之离开核燃料棒，这样中子源产生的中子生存得足够多，大量的中子有机会轰击核燃料（轴-235原子核），并发生裂变核反应。

通过以上手段，我们让铀-235链式裂变得到了控制，这种控制是自动的（关键控制，人动、自动都可），无论是突然增加负荷还是突然减少负荷，或仃止发电，都是可控的。当然，还要有一些其它设备配合。下面，我们再来谈谈核岛内的稳压器，它是干什么用的。

　　核电站由核岛、常规岛、核电站配套设施和核电站安全防护措施组成。其中，核岛为核电站的核心，主要部件为核反应堆、压力容器（压力壳）、蒸汽发生器，主循环泵，稳压器及相应的管道扣阀门等组成一回路系统；而常规岛则由汽轮机、发电机、凝汽器，给水泵和冷却水泵等构成二回路。

而稳压器是核电站核岛主要配件之一。见图。其作用如下:

1. 启动期間，在一个回路中建立压力并保持压力。

2. 补偿一回路因为温度变化引起的容积变化，缓解因为温度变化引起的压力波动，避免冷却剂在反应堆内沸腾。

3. 通过喷淋和加热器来保持稳压器内水-汽平衡温度，把一回路压力限制在一个范围内，并防止一回路超压。当一回路超压时，通过安全阀把稳压器内的蒸汽卸到卸压箱中。而当一回路压力过低时，可通过加热器使压力上升到一个规定的范围内。

所有操作自动进行，关键部分，自动手动都要可以，这是安全需要。下面我们再来谈谈核岛内的蒸汽发生器，它的作用是什么？

　　核电站蒸汽发生器，主要功能是作为热交换设备将一回路冷却剂中的热量传给二回路给水，使其产生饱和蒸汽供给二回路动力装置。见图。冷却剂从稳压器输出，从蒸汽发生器冷却剂入口进入，在管内作倒置的U型流动，把热量传递给管壁外的处理过的水，把水变为高温高压蒸气，经过蒸汽发生器的汽水分离装置，让蒸汽进入干燥装置，使蒸汽达到临界或超临界状态，送入汽轮机，带动发电机发电。而冷却剂完成传热功能后，温度降低，从冷却器出口流出，经过过路管道进入主泵吸入口……

一般1000MW核电机组有三个环路，每个环路装有一台蒸汽发生器，每台容量是按照满功率的三分之一的反应堆的热功率设计。蒸汽发生器是连接一回路和二回路的设备，在一、二回路之間构成防止放射性外泄的第二道屏障。

而二回路系统和火力发電是一样的，就不用介绍了。

当我们知道这些设备的用途和如何工作的，我们就再接合设备把核电厂是如何发电的叙述一下:

　　每个核能发电厂的启堆和停堆都有严格的规章制度和安全程序，但是其基本的原理是不变的。停堆就是不让中子轰击铀-235原子核（以铀-铀235为燃料）；启堆，就是放出中子，让中子轰击铀-235原子核，原子核开始产生裂变，……迅速建立起链式反应，释放出大量的热能，通过冷却剂把热量带出，送入稳压器，在稳压器建立一定的电压，让系统稳定的运行。从稳压器出来的冷却剂进入蒸汽发生器入口，在倒U型管内运行，让管外处理过的水在此产生大量的蒸汽，高温高压蒸汽通过气水分离装置，高温高压气体通过干燥没备，从蒸汽发生器出口出来的蒸汽已经达到超临界或超高临界状态，通过管道送入汽轮机，带动发电机发电。于此同时，温度降低的冷却剂通过蒸汽发生器的出口，通过管道，流进冷却泵进口……

以上就是核能发电厂发电的简单过程。但是要知道，核能发电厂每一个设备都是一本书，相当复杂，哪怕就建一个核反应堆的外壳，它就牵涉到方方面面，都不是一本书能解决的。

另外，还要说明一点，核裂变反应并非只有铀-235，其它元素（或核素）也可以用于核裂变反应。对于軍中核武器原子弹，可以采用钚239作为核裂变原料，对于民用核电站中的核裂变反应，也可以使用其它元素作为燃料，例如目前正在研究的第四代反应堆钍基熔盐堆采用钍232作为增殖燃料。

那么为什么世界上的核电厂基本都用铀-235作为核燃料呢？当然，它一定有着不可替代的优点:

第一,铀-235更容易获取和操控。其在天然铀中存在（占铀总量0.72%）,只需要在利用前加以浓缩，而钚-239却需要先通过核反应合成。

第二，铀-235的中子反应截面大，被中子轰击时容易发生核裂变反应，自然界中的其它元素被中子轰击时则不容易裂变或者裂变不能持续，（发生链式增殖），無法作为核燃料使用。

　　另外，还有一个问题，为什么要用中子轰击铀-235？当然，中子一定有它不可替代的优点:

首先，自由中子的质量为1.6749×1024g，是电子质量的1838.68倍，我们知道，质量越大，速度越快的物体获得的动能越大；其次，中子不带电，运動过程中不受原子核静电力影响，速度大小方问不变。所以，科学家常用中子轰击原子核。

以上就是有关核电厂发电的问与答，尽量讲得通俗一些，让大家了解核能发电厂发电的一些基本知识，减少对核能发电厂的神密感。谢谢。