核能發(fā)電的原理與機制
核能釋放主要依靠核聚變與核裂變這兩種方式留學(xué)之路，核聚變是本文重點，它是兩個或更多較輕原子核結(jié)合成一個較重原子核的核反應(yīng)，會釋放出相當(dāng)驚人的能量，是核裂變反應(yīng)能量的四倍，還預(yù)兆著未來聚變動力堆的潛力，當(dāng)下諸多計劃都在探尋怎樣利用核聚變反應(yīng)，其中關(guān)鍵之處在于把氘（重氫）和氚（超重氫）的混合物用作反應(yīng)物。按照理論來講，僅僅只需幾克如此這般的反應(yīng)物，便能夠產(chǎn)生充足到足以供一個算得上發(fā)達地區(qū)的眾人在長達60年的時間之內(nèi)所需要的能量，也就是一太（萬億）焦耳。緊接著，我們會經(jīng)由圖示進一步深入地去了解聚變的原理。
因為原子核之間有著強大的靜電排斥力初中物理核電，所以要讓輕核發(fā)生聚變，就得克服這種阻力。只有在超過一億攝氏度的那種極端高溫環(huán)境里，輕核才能夠獲得足夠的動能去實現(xiàn)聚變。當(dāng)原子核相互靠近到一定范圍之時，它們之間的核吸引力會戰(zhàn)勝電排斥力，進而觸發(fā)聚變反應(yīng)。需要注意的是，原子核的靜電斥力跟其所帶電荷量成正比例關(guān)系，所以，質(zhì)子數(shù)比較少的輕核聚變所需的溫度更低。這能夠解釋，為何僅僅是某些較輕的原子核，像氫、氘、氚這類，才易于發(fā)生聚變，而且要把這些原子核約束在狹小空間當(dāng)中，以此來增加碰撞機會。
值得一提的是，美國能源部宣稱，在2022年12月13日，他們首次于可控核聚變反應(yīng)里達成了“凈能量增益”，這表明在實驗室環(huán)境之中，聚變反應(yīng)所產(chǎn)出的能量首次超越了所消耗的能量，這屬于一處重大的科學(xué)突破。
隨后，我們會去探究另外一種核能發(fā)電的關(guān)鍵原理，也就是核裂變。當(dāng)前，核電站主要借助鈾原子核的裂變來進行發(fā)電。核裂變是一種狀況，即一個質(zhì)量相對較大的原子核分裂成為兩個或者多個中等質(zhì)量的原子核的進程。需要留意到的是，并 非所有的原子核都能夠發(fā)生裂變，只有那些由于質(zhì)量過大而表現(xiàn)出不穩(wěn)定特性的原子核才會出現(xiàn)這種反應(yīng)。為了對核裂變加以控制，人類要運用中子來引發(fā)裂變，原因在于中子不帶電，更加容易進入原子核并且對其穩(wěn)定性造成干擾。然而，中子引發(fā)核裂變要具備嚴苛的中子速度條件。并且，還得有靶原子核相應(yīng)要求。這同樣是核能發(fā)電里面至關(guān)重要的一項挑戰(zhàn)。
用中子去轟擊鈾 - 235原子核，這會致使原子核分裂成兩個較輕的原子核，并且會同時釋放出2至3個中子。要是這些被釋放出的中子能夠引發(fā)其他原子核的裂變，而且至少有一個中子能夠持續(xù)引發(fā)裂變，那么這樣的反應(yīng)就被稱作鏈式裂變反應(yīng)。達成鏈式反應(yīng)是核能發(fā)電的關(guān)鍵所在。借助在燃料中加入能夠吸收中子的物質(zhì)，可以對鏈式反應(yīng)的速度予以控制。例如，一次裂變里產(chǎn)生的3個中子，其中2個有可能被吸收，如此鏈式反應(yīng)就會持續(xù)開展。不過每次僅發(fā)生一個反應(yīng)，所以裂變速度維持穩(wěn)定。要是進一步增添吸收物質(zhì)，那么或許所有的3個中子都會被吸收，鏈式反應(yīng)會因此停下來。在核反應(yīng)堆內(nèi)，能夠借助“控制棒”來調(diào)整反應(yīng)速率。當(dāng)需要終止裂變反應(yīng)時，只需將足量的控制棒插進燃料中，核反應(yīng)就會立刻停止。
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03 — 壓水堆：全球核電站的主導(dǎo)堆型
核電站堆型分類方式有許多種，按照用途區(qū)別，能分成動力堆，生產(chǎn)堆，研究堆以及特殊用途堆等；依據(jù)冷卻劑與慢化劑不一樣，又可分化為壓水堆，沸水堆，重水堆，氣冷堆，壓力管式石墨沸水堆以及快中子增殖堆等。在全世界范圍內(nèi)，壓水堆與沸水堆于核電站里占比是最大的，特別是在我國，壓水堆技術(shù)路線是核電站的主要選用方向。壓水堆最開始是給艦船核動力進行設(shè)計的，憑借其緊湊的結(jié)構(gòu)，卓越的經(jīng)濟性與安全性聞名，而其安全性更是被眾多國家所看重的緣由。 。時至今日，壓水堆已成為全球核電站的領(lǐng)軍堆型。
不同于火電廠的鍋爐初中物理核電，核電廠的“鍋爐”是核反應(yīng)堆，它也被叫做“核島”，核島涵蓋安全殼以及其內(nèi)部所有設(shè)備和系統(tǒng)。在核島上，堆芯是核心，它主要由燃料組件和控制棒驅(qū)動系統(tǒng)組成。核裂變反應(yīng)發(fā)生時，產(chǎn)生的熱量被堆芯里的水吸收。這些水在一回路中流經(jīng)蒸汽發(fā)生器，把熱量傳給二電路的水。這一流程和火電廠蒸汽驅(qū)動汽輪機運轉(zhuǎn)、進而帶動發(fā)電機發(fā)電的流程類似。隨后，三回路借助凝汽器以及海水這類冷源，把二回路的蒸汽冷凝為水，這些水再次被輸送至核島，進而加熱成蒸汽，如此便形成了一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)。
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核能發(fā)電三回路的構(gòu)成及作用詳解
一回路著重于核反應(yīng)，它的核心部件含有壓力容器，還有穩(wěn)壓器，以及蒸汽發(fā)生器，另外還有主泵。一回路的使命是開展核反應(yīng)，其中的壓力容器為反應(yīng)給予場地，把水加熱到300多度；穩(wěn)壓器負責(zé)維持5MPa左右的壓力，保證水在高溫時依舊保持液態(tài)；蒸汽發(fā)生器利用一回路的水向二回路傳遞熱量，達成熱量的交換；主泵推動一回路的水流動，確保熱量能夠持續(xù)傳遞。
二回路承擔(dān)著發(fā)電的任務(wù)，它的核心部件有冷凝器，還有給水泵以及汽輪機。一回路的熱量經(jīng)由蒸汽發(fā)生器傳遞給二回路，因為二回路處于常壓狀態(tài)，失去穩(wěn)壓器壓力的熱水即刻變成蒸汽。這些蒸汽接著進入汽輪機，促使其高速轉(zhuǎn)動，進而帶動發(fā)電機產(chǎn)生電力。冷凝器的功能是收集從汽輪機流出的蒸汽，通過把它冷凝成水的形式送回蒸汽發(fā)生器。與此同時，給水泵也保證了二回路的水/蒸汽能夠持續(xù)地流動。
三回路結(jié)構(gòu)簡單，然而其作用至關(guān)重要，它主要承擔(dān)降溫職責(zé)，先是把海水這般的冷源從海中抽取出來，接著借助冷卻水循環(huán)泵推進到冷凝器里，把多余熱量帶走，以此給整個系統(tǒng)降溫，進而避免因過熱引發(fā)故障 。