核电站如何在不爆炸的情况下发电?

时间:2021-11-23 08:51:05   作者:
核电站不会爆炸。然而,核电站中的反应堆会融化,如果发生这种情况,熔化的金属会迅速蒸发反应堆容器内的水,进而迅速提高反应堆舱内的压力,摧毁它(这看起来像爆炸,但不是爆炸),如果反应堆周围没有安全壳(像切尔诺贝利那样),或者安全壳被严重的地震和海啸破坏(像福岛那样),蒸汽将无法携带反应堆中的一些放射性物质。

燃料棒中的铀原子衰变(这就是裂变反应)产生热量和2个中子,这导致另外2个铀原子衰变,进而产生4个中子,以此类推。这被称为连锁反应。

核电站如何在不爆炸的情况下发电

在发电厂中有一种被称为中子慢化剂的装置——例如石墨棒(又名控制棒)或重水(也充当冷却剂)——可以消耗这些额外的中子来阻止裂变链式反应。在中子慢化剂失效的情况下,裂变反应的速度会提高,从而提高反应堆的温度,以及反应堆熔毁的点。

老厂房建得像烧水设计。从根本上说,铀产生的热量使水沸腾,产生的蒸汽带动涡轮机发电。问题是,反应堆的温度越高,蒸发的水越多,反应堆得到的冷却就越少(被水捕获的中子也就越少,从而裂变反应的速度也就越快),因此温度的升高会进一步蒸发更多的水。最终反应堆融化。因此,一旦控制系统出现故障,就会发生熔毁(这就是导致切尔诺贝利事故的原因——由于切尔诺贝利反应堆没有安全壳设施,核材料可以自由地离开反应堆)。

核电站如何在不爆炸的情况下发电

这种内部的不稳定性正是这个反应堆设计被放弃的原因。

更多的现代核电站采用不同的设计,称为压水设计。在那里,冷却反应堆的水重新沸腾(因为它保持在高压下),因此这种正反馈循环不存在,反应堆本质上是稳定的。

核电站如何在不爆炸的情况下发电

当然,在冷却泵故障和反应堆紧急关闭故障(非常不可能发生的顺便说一下)的情况下,反应堆仍然会熔化。这一事件发生在三英里事故中,但由于反应堆的安全壳结构是完整的,没有放射性物质离开过它。但由于那次事故,现代反应堆都采用了被动冷却功能。

原子(物质的组成部分)也是如此。一些大的原子非常稳定而且很乐意永远保持原样。但其他原子以不稳定的形式存在,称为放射性同位素。它们相当于摇摇晃晃的老建筑的原子:迟早,它们一定会解体,分裂成碎片,就像一座大楼摇摇晃晃地倒在地上,并在途中释放能量。当大原子分裂成一个或多个小原子,在这个过程中释放出其他粒子和能量,我们称之为核裂变。那是因为原子的中心部分(原子核)是分裂的,裂变是分裂的另一个词。核裂变可以自发发生,在这种情况下,我们称之为放射性衰变(不稳定的放射性同位素转化为不具有放射性的稳定原子)。它也可以按需发生——这就是我们从核电站的原子中获得能量的方式。这种类型的裂变被称为核反应。
 

一个原子能产生多少能量?


一个惊人的大数目!这就是物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在写下这个简单而著名的方程时所要表达的意思:E = mc2。

如果E是能量,m是质量(对我们周围的普通物质的科学词汇),c是光速,爱因斯坦的方程告诉我们,你可以把少量的质量变成大量的能量。如何来吗?从数学上看,c是一个非常大的数字(300,000,000),所以c2更大:90,000,000,000,000。这就是你从一千克质量中得到的焦耳(能量的标准度量)。从理论上讲,如果你能将大约70亿个氢原子完全转化为能量,你将获得大约1焦耳的能量(这大约相当于一个10瓦的灯泡在十分之一秒内消耗的能量)。但请记住,这些只是大致的、猜测的数字。我们真正需要注意的唯一一点是:因为即使是在一个很小的物质规格中也有数十亿、数十亿个原子,所以从很少的能量中产生大量的能量应该是可能的。这就是核能的基本理念。

实际上,核电站的工作原理并不是完全消除原子;相反,它们把非常大的原子分裂成更小、结合更紧密、更稳定的原子。在这个过程中释放能量——我们可以利用的能量。根据物理学的一个基本规则称为能量守恒定律,在核裂变反应释放的能量等于原来的原子的总质量(和所有的能量凝聚在一起的)减去总质量的原子分裂成(和所有的能量在一起)。要了解核反应释放能量的更详细的解释,以及核反应能释放多少能量,请参阅超物理的结合能这篇文章。

核电站如何在不爆炸的情况下发电
 

什么是连锁反应?


如果你能让很多原子一个接一个地分裂呢?理论上,你可以让它们释放出大量的能量。如果分手数十亿原子听起来像一个真正的孔(如打破数十亿鸡蛋煎蛋卷),有一个更方便的帮助:一些放射性同位素会自动继续分裂自己所谓的连锁反应,生产能力差不多,只要你想要的。

假设你拿一个非常重的原子——一种稳定的铀,叫做铀-235。每个原子都有一个原子核,有92个质子和143个中子。向铀-235发射一个中子,你就会把它变成铀-236:同一原子(铀的放射性同位素)的不稳定版本,有92个质子和144个中子(记住,你多发射了一个)。铀236太不稳定,无法长期存在,因此它分裂成两个小得多的原子,钡和氪,释放出相当大的能量,同时发射出三个备用中子。

现在最妙的是,多余的中子可以撞击其他铀-235原子,使它们也分裂。当每个原子分裂时,也会产生多余的中子。因此,一个铀-235原子的单个裂变迅速成为连锁反应——失控的核雪崩,以热的形式释放出大量的能量。

核电站如何在不爆炸的情况下发电

用一个中子(1)向一个大的铀-235原子(2)发射。你会产生一个更大的、不稳定的铀的放射性同位素——铀-236,它会迅速分裂成两个更小、更稳定的原子——氪和钡。热能被释放出来,剩下3个中子。这些中子可以继续与更多的铀-235原子(5)反应,形成一个能量巨大的连锁反应。当一个中子撞击铀235,产生两个或四个备用中子时,其他的裂变反应堆也有可能。这就是为什么你有时会在书中读到铀-235裂变产生“2或3个”备用中子(平均2.47个)。
 

核电站和核弹有什么区别?


在核弹中,连锁反应是不受控制的,这就是核武器具有如此可怕的破坏性的原因。整个链式反应在不到一秒钟内发生,一个分裂的原子产生两个、四个、八个、十六个,等等,一眨眼的时间就释放出大量的能量。在核电站中,链式反应被非常小心地控制着,所以它们以相对缓慢的速度进行,仅仅足以维持它们自己,在许多年或几十年的时间里非常稳定地释放能量。在核电站里没有失控的,不受控制的连锁反应。
 

核电站是如何运作的?


好吧,我们已经知道如何从原子中获得能量,但我们得到的能量并没有多大帮助:它只是大量的热量!我们如何把它变成更有用的东西,也就是电?核电站的工作原理和传统发电厂很相似,但它通过原子产生热能,而不是通过燃烧煤、石油、天然气或其他燃料。它产生的热量用来将水烧开,产生蒸汽,从而驱动一个或多个连接到发电机的巨型蒸汽涡轮机——这些涡轮机产生我们所追求的电力。
声明:本文内容由互联网用户自发贡献自行上传,本网站不拥有所有权,未作人工编辑处理,也不承担相关法律责任。如果您发现有涉嫌版权的内容,欢迎发送邮件至:123456789@qq.com 进行举报,并提供相关证据,工作人员会在5个工作日内联系你,一经查实,本站将立刻删除涉嫌侵权内容。