核电站发电原理 怎么把核能->热能->电能?小日本这次遇到什么问题了呢

jackxiang 2011-3-13 19:56 | |
易经的六十四卦每卦有六爻,每爻一分为二即为十二;十二再按此法一分为二即为二十四。。。看我72变。这一裂变方式现代称为链式反应,也就是原子弹和核能的反应模式。铀核被分裂为二时,可以放出两个中子,这两个中子再去击中两个铀原子核,它被分裂为四,同时放出四个中子……,由此类推,原子的裂变就会这样自发地持续下去,产生一连串的原子分裂,同时不断放出能量。原子弹的爆炸药一般是高度浓缩的放射性金属,如铀235等,这些金属平时就在不停的放射出中子,当中子撞到别的铀原子核的时候,核会分裂并释放能量和新的中子。因此当有很大一块铀235的时候,它会自发性的产生这种链式反应,最终引发核爆炸。想像一下我们有很多打开的老鼠夹子,每个夹子上都有两个弹珠,当一个夹子把弹珠弹出去的时候正好弹到另一个夹子上,引发这个夹子把自己的弹珠弹出去并射到别的夹子上……这样越来越多夹子被别的弹珠弹到并弹出自己的弹珠,直到夹子全部关上。这就是核链式反应的原理。如果铀的质量不够的话,这种链式反应不会持续(因为很多中子都没命中原子核),能够支持铀进行链式反应的那么多质量称为临界质量
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现实中的热核反,给专家说得很简单:
几个物理规则:
1.水的沸点随着压力增大而增大。(为何300度在水不是蒸汽,还是液态在原因)
2.A物体对B物体做功,A能量下降。(如:水蒸汽对发电机做功,变为固态水)
3.蒸汽机的动能转为电能是需要通过切割磁感线来完成的。(大学里可能就会说:不必,只要改变磁通量就行了,反正这样就能产生电,无它)
回顾一下:
表征某一区域磁场情况的物理量。匀强磁场通过某一平面的磁通量φ定义为φ=BScos(B, n), 其中B是磁感强度大小, S是平面面积,(B,n)时φ为负值。磁通量的单位是韦伯(Wb),匀强磁场通过某一曲面的磁通量,等于BSn,Sn是曲面在与磁场方向垂直的平面上的投影面积。在非匀强磁场中,通过某一面积S的磁通量等于通过许多小面积的磁通量之和φ=∑△φ,而△φ=B△Scos(B,n),DS是小面积,B是DS上的磁感强度。形象地说,磁通量等于通过某一面积的磁感线的条数。
继续扯淡:
一. 有3个地点:反应容器(核燃料在这里反应),蒸汽发生器,汽轮机
二. 有2个回路:1回路(或称“核岛”)连接反应容器与蒸汽发生器,2回路(或称“常规岛”)连接蒸汽发生器和汽轮机三. 过程:(1)1回路的冷却水流过反应容器时,吸收核反应的热量,温度升高;流过蒸汽发生器时,将热量传给2回路的水,同时温度降低,流回反应容器重新吸热。(2)2回路的水流经蒸汽发生器时,吸收了1回路冷却水的热量而变成水蒸汽,然后进入汽轮机,推动汽轮机旋转,汽轮机通过一根轴带动发电机转子旋转发电;水蒸汽在汽轮机内做功后,又变成液态水,流回蒸汽发生器重新吸热。蒸汽发生器里两个回路的水是始终隔开的,以保证2回路不带放射性。
福岛这核电站68年建的一代沸水堆,不知道安全壳钢筋混凝土多厚,大亚湾的好像是90厘米,这次爆炸的这个电站 是68年建的~比切尔诺贝利还老了15年~
核电站产生蒸汽 的 基本原理是 : 反应堆压力容器 里面主要 有燃料棒进行反应发热,控制棒控制反应速率 (主要原理是 控制棒 套在 燃料棒外,全都套上反应就停止,全都拉起来反应就最大);一回路的介质(一般是水,300°左右,高压保证是液态) 流经堆心 把堆心反应产生的热量带给 蒸汽发生器,产生蒸汽同时被冷却(降低几十度)然后回流到堆心重新加热。这个流动是需要主泵提供动力的。问题就出在这里, 如本次大地震,一回路的水循环停下来(可能是主泵失去电源,可能是机械损伤,可能是管路破损太多必须停下来),堆心的热量带不出来了, 而可能由于地震控  制棒驱动机构故障(比如控制棒卡住了,比如控制机构坏掉了),控制棒不能完全落下,关闭反应堆(我不太清楚 日本这个电站的具体结构~控制棒也可能是从下往上插的~反正就是控制棒不能完全套住燃料棒了),反应就一直在进行,残留的一回路水还在堆心(下面童鞋体型 这堆 是沸水堆 , 直接 堆芯加热介质 成饱和蒸汽,经汽水分离之后直接驱动汽轮机~ 确实…… 刚光想着堆芯的事把这事给忘了~ 不过这个对 堆芯熔不熔 没啥大影响·~)~ 一回路水本来就是高压,温度太高保持不了液态了,就变成气态了,一回路压力就迅速上升 。 所以 新闻上说 日本电站的应急人员已经开始 开启一回路的安全阀,让一回路蒸汽直接排到大气中去。这已经是极端手段~ 这些蒸汽是经过堆心活化的,剂量非常高,排出去是重大污染(按照平时正常运行时候的标准看),但是不排出去 一回路就要爆炸,不排不行。现在排出去了,还炸了,说是氢气爆炸,是有这可能的。一回路内部没有介质了,控制棒又没完全放下去,停堆不成功,  燃料棒就在里面干烧, 温度越来越高,高到什么程度,高到已经融化了包壳。 1200°   这就是新闻里说的 堆心熔融。
这里要说明~ 在换料或事故工况下 一回路停止流转的时候, 核电站 有一个 “余热排出系统” 会启动,负责在此时 带出堆心的 热量,保证堆心不会过热 不发生核事故。但是这个 福岛的电站很悲剧~ ~它的这个 余热排出系统 是需要动力驱动的 , 也是有抗震等级的~我不知道它这个电站的抗震等级是多少~ 岭澳核电站是二代堆,好像抗震等级是8级~  很明显 现在爆炸的这个日本电站的这个系统完犊子了~ 目前新建的三代核电站的 余热排出系统 是 非能动 的  , 事故情况下 没动力也能流动~ 能好不少。
目前日本人面临的最大的问题,我感觉这些新闻节目里的砖家 都没提-----堆心熔融物可能会把反应堆压力容器烧穿 造成恐怖的核泄漏(而不是什么压力容器压力过高导致爆炸~)为什么日本现在还在 用海水 从外面给 反应堆压力容器 降温呢?因为如果不从外面降温,里面的核燃料还在链式反应(因为核电站的燃料浓度很低,所以没有核武器那么剧烈,那个老头子说的什么 能从爆炸的形态看出 这是氢气爆炸而不是核爆炸 纯属扯淡,根本不存在核爆炸 ) 温度越来越高, 会烧穿压力容器,熔化的燃料还在反应还在升温,会流淌,只要烧穿了压力容器,熔融的核燃料就会 暴露在空气中,或者接触到 冷却用的海水。 如果空间封闭,可能引起大爆炸 威力巨大~ 如果不封闭 , 会产生大量蒸汽, 而这些蒸汽都是 直接和核燃料接触过的,剂量非常高。 不管怎么样 只要 熔融物出来了,泄露的剂量就会达到灾难性的程度。
所以现在关注 压力容器的压力没啥意义~ 关键看它会不会被烧穿~不过看那视频上,反应堆厂房 炸成那样…… 不知道 “我们日本同行” 是用什么手段 往反应堆周围注水的~
海水冷却失去控制的反应堆压力容器 , 短时间还行, 时间长了,首先 现在的压力容器周围水流是否通畅不知道~ 搞不好蒸发量过大,会结盐 冷却效果下降~ 其次 不知道氯离子应力腐蚀是否会迅速发展~我比较悲观~ 感觉很可能会 烧穿压力容器 , 堆芯熔融物暴露在外这次 这老电站可能会出很大的问题~新闻节目里 那些专家 说 , 这次电站爆炸,大家不要担心会发生 切尔诺贝利 的灾难, 因为 二十五年来 核电站的 安全设计 已经大大提高~话是没错~ 新电站确实基本不会出事~不过很悲剧  , 这次爆炸的这个电站 是68年建的~比切尔诺贝利还老了15年~=。=!
不过就算烧穿了应该也确实不至于像 切尔诺贝利 那么惨~ 因为 切 电站 是石墨堆~  石墨暴露燃烧产生的粉尘 太大量了~ 而且有吸附作用~不知道这次如果烧穿了 接触到冷却的海水 产生的蒸汽 剂量是个什么水平~
只要到反应堆失水堆心熔融这个程度, 就已经是级别非常高的核事故了~ 可以说是核电站的终极事故了~ 产生什么后果都有可能, 看造化了~此时的核反应已经失去控制~ 想靠冷却让核反应停止是不可能的~只能等融化的核燃料混了足够多的东西,自己到临界以下~ 自己慢慢熄灭~



这里还要交待一下,天然铀矿99.28%是铀238,只有0.7%是铀235。铀235更容易产生核裂变,也是作原子弹的材料。铀矿中235/238的比例是从地球形成时到现在亿万年中的自发衰变率定下来的。所以在世界各地的铀矿基本都保持这个0.7:99.28的比例。
1983年法国的一个核技术员在检验一块从非洲加蓬出产的铀矿石时,发现那块铀矿石中的铀235含量比一般矿石减少了许多,算起来那批矿石中竟少了几百公斤铀235,足以制造一百颗威力强大的核弹。他为此结果大吃一惊,连忙层层上报,可进一步的调查结果却发现这批矿石不可能被预先提取过,而是在地壳中采来铀235含量就低。
这是为什么呢?唯一可能的解释就是这批铀矿石在出土之前已经在核反应堆中被“烧”过,使有铀235的比例下降。
可这怎么可能呢?商用的核堆中燃料都要经过多次提纯,使铀235的含量提高,否则过多的铀238就会大量的吸收中子,使链式反应中断。天然铀矿中的铀238远远高于能让裂变核反应可以持续的含量。加篷铀矿的这一发现使某些宗教人士大为兴奋,认为那史前核反应是经上帝之手。民间飞碟专家也认为找到了外星人来访的证据。
说起来答案十分简单,原来在远古时代铀原子刚形成的时候,铀235是很多的,而铀238相对较少,因此在二十亿年前形成的铀矿石中,自发出现链式反应的可能是有的。
可是,那铀矿中一旦出现链式反应,怎么不象原子弹一样轰的一声炸得粉碎呢?研究证明,加蓬的史前反应堆至少运行过几千万年。是谁在这漫长的年月里精确地控制着核反应的速度?要了解个中原委,还要听炉匠再讲一个原子炉的秘密。原来刚从铀核裂变出来的中子,跑得飞快,转眼就飞得很远,只有很少的机会核周围的另一个铀核相撞引发另一次裂变。这时如果在周围放一些较轻的原子核,如碳,氢和氧核,使那快中子与轻原子核相互作用变得较慢,就能大大提高与另一个铀原子核相撞的机会。这样同样多的铀燃料,减速剂多些,慢中子就多些,核裂变的速率就高,反之减速剂少些,慢中子少,核反应速率就低。今天的核堆就是用这种原理,用插入减速剂来维持制平稳的裂变速度。但是,核堆的控制非常复杂,搞不好就会出现切尔诺贝利或三里岛那样的核事故。那加蓬天然核反应器是怎样在无人的情况下建造和运行的呢?
原来这也很简单。这铀矿本来处于接近但又不能产生链式反应的亚临界状态,当雨季到来地下水渗入矿脉,水中的氢和氧原子核就能使中子减速,产生的慢中子多了,就出现了链式反应。链式反应的能量把水变成了高压蒸汽并把地下水逐出矿脉,水位低了慢中子就少,反应就减慢。反应慢了矿体就逐渐冷却,水位又上升,使链式反应重新加快。在这巧中之巧的巧合之下,加蓬铀矿石中的天然反应堆就日复一日地稳定地运行。旱季来临,反应堆就完全停下来,直到下一次雨季。这核反应历经了千万年之久才使这一大块矿脉中地铀235含量减少。
我们能否从这自然的巧妙设计中学到点什么呢?能不能仿造它建不用人管也极为安全地核堆,永远避免切尔诺贝利那样地事故呢?实际上人们已经发明了这种设计,就是目前绝大多数地商业核堆使用的“轻水堆”。这种堆在密封仓内把燃料棒堆到亚临界状态。只有当水进入堆中时,慢中子多起来核反应才能开始。如反应过强产生的蒸汽会自动降低慢中子比例而使反应速度慢下来。这样反应堆不会因失水产生过热而失控。

作者:jackxiang@向东博客 专注WEB应用 构架之美 --- 构架之美,在于尽态极妍 | 应用之美,在于药到病除
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