核电站核反应堆的运行原理及建设结构研究

曹海阳

中核国电漳州漳州能源有限公司 福建 漳州 363000

摘要：电力能源作为一种能直接影响人类日常活动的能源，已成为人类日常活动的一种重要能源。同时，电力能源也被称作二次能源，因为它不能从自然环境中获得，只能依靠其他多种能源进行转化。因此，本文就核电站核反应堆的运行机理进行了分析，并根据实际情况，对建设构造和使用进行了阐述。

关键词：核电站；核反应堆；运行原理；建设结构

前言

随着人们的生活水平和生活质量的提高，能源和资源的总体需求也在增加。能源是人类赖以生存的根本，是人类在日常活动中获得生存与发展所必需的先决条件。电力一直都是一种很重要的能源，只是它并不是天然的，只能通过煤炭、水力等多种途径进行转化。因此，电能又被称为二次能源，它在使用时不但可以做到集中生产，日常还可以方便地进行的输送。同时，也可以根据实际需要，将电能转化为多种形式的能源，在新时代发展背景下，节能减排重要性不言而喻，而核能发电作为一种清洁能源的发电方式，其特殊性和优越性也越来越明显。

1.核反应堆的种类划分

核反应堆的类型有很多种，也有很多种划分方式。按照其功能划分，核反应堆有三大类：一是实验堆。比如说，我们可以利用它来研究元素中子的性质，让我们对物理、生物、化学、燃料、元件等有更多的认识，同时也能更好地理解这些物质的作用。二是生产堆，能制造出不同的元素，比如，我们可以用它制造铀-233这种新的裂变物质。三是动力堆，就是以核能产生动力，它分为军用和民用两大类，用途很多，我们可以利用核能发电，也可以用来提供船舰的动力，也可以用来取暖。

2.核反应堆的本质

核反应堆也被称为反应堆，其本质上是用原子核裂变产生的能量到热能之间转换的设备。在核反应堆里，当中子轰击原子核时，会产生核裂变，裂变的同时伴随能量的释放。该能量被用来代表核裂变产生的动能，大多数的裂变产生的能量通过热传导、对流和热辐射传递到围绕着燃料收集设备的冷却液。一小部分的能量被直接转换成了热能，尽管核反应堆和原子弹都是用于核裂变的设备，但是两者之间存在本质上的区别。核弹是在链反应失控的情况下，在反应器内进行连锁反应。在原始的球形中，链式爆发会产生大量的中子，从而引起更多的原子裂变，进而使整个核燃料在一刹那之间发生裂解，并释放出巨大的能量。在核电站的核反应堆里，中子的数量是被严格控制的。人们利用可以吸收中子的控制棒和中子慢化来控制连锁反应的速率，通过调节控制棒的深度，裂变核心就会产生一颗中子，进而会引起另一颗核子的分裂，因此，它会可控地发生核裂变^[1]。

3.核反应堆的结构

核反应堆类似于电厂的锅炉，但是它的构造要复杂许多。虽然各种类型的反应堆都有不同的构造，但是一般情况下，反应堆包括燃料组件，控制和保护系统、冷却系统、调节系统、反射器、辐射监测系统等等。燃料组件包括一套燃料棒和其它组件。不管是什么反应堆，都离不开核燃料。通常情况下，核燃料要用铝锆合金、不锈钢等材料包覆，以避免核裂变的放射性产物泄漏。放置燃料组件的地方叫做堆芯，是一个活跃的核反应和高辐射的地区。除燃料回收外，最主要的是控制与防护体系。为了把链式反应速度保持在一个预先确定的水平，控制棒需要用中子吸收剂，通常由硼、碳化硼、镉和其它物质组成。在快速的核反应过程中，控制棒会更深入地吸收更多的中子，反之，则会被放到较低的地方。根据功能的不同，控制棒组件可分为功率调节棒、温度调节棒和停堆棒三类。正常运行时，功率调节棒位于机组功率对应的棒位高度，用于调节反应堆功率；温度调节棒在堆芯上部一定范围移动，用于控制冷却剂温度的波动；停堆棒用于事故紧急停堆，正常运行时提出堆外。所有的控制棒接到停堆信号后能在很短的时间内依靠自身重量落入堆芯，使链式裂变反应中止。冷却系统中的冷却液要将裂变所产生的热传递出去，这不但要使能源得到最大限度的利用，而且也要保证它的安全性。没有了冷却液，核裂变产生的热就不能被及时地释放出来，而且反应堆的温度会持续上升，最终会引起爆炸。慢化系统的作用是降低核裂变过程中所放出的中子能，使它速度变慢，因为随着中子的减速它会有更大的裂变横截面，从而更难吸收到铀-238。所以，要把能减慢中子速度的物质放在一个热中子反应堆里。水、重水和石墨都是极好的慢化剂，它们几乎不能吸收中子，只能使中子减速。反射层围绕着反应器的活跃区域，其作用是降低核裂变中子的泄露，就象一张台球桌的边框，一旦打到台球，就会反弹回来。且由重水、轻水、铍、石墨或其它物质构成的反射体，能把漏出的中子反射到活动区，所以有充足的中子来保持链状反应。

4.核反应堆运行原理

主要有两类，一种是核裂变，一种是核聚变。一是重核的裂变反应。当一个中子撞击到一个重核，它将与核子结合，分裂成新的原子核，在释放大量能量的同时，也会产生新的中子。而中子则会分别攻击其它的重核，让重核重新分裂，进而产生新的核子、中子、能量等，周而复始。按照裂变的理论，外部的中子会轰击铀235或者钚239的重核，随后会产生核裂变反应。根据科学家们的估算，1公斤铀的全部裂变所产生的能量相当于三百万吨煤炭的充分燃烧。二是轻核的聚变反应。有些轻质的核子，比如氘、氚，也可以在特定的条件下进行熔化，从而生成原子核氦。当两个轻核融合时，会因为质量的损失而释放出大量的能量。尽管它们都是带正电的轻核，由于库仑力的作用，它们会互相排斥，但它们的能量非常强大，在它们的作用下，会产生强大的核力，从而克服库仑力，使两个原子核紧紧地贴在一起，从而引发核反应，这是一种由两个原子核组成的核反应，我们叫它聚合。要知道，轻核的聚变是很难控制的，因为轻核聚变必须要在高温高压的情况下才能挣脱原子核的束缚，让两个原子核相互吸引，从而产生一个更大的原子核，而中子的体积虽然大，但是因为中子没有带电，所以它可以从原子核中挣脱出来，释放出大量的电子和中子

^[2]。三是热载体推动发电。以循环的水为载体，吸收核裂变或核聚变产生的热，再将循环水的热量通过蒸汽发生器传递给二回路的冷却水从而产生蒸汽，通过排出的热能驱动汽轮机发电。因为核反应堆的辐射很大，因此，循环的水也会产生热量，并在反应堆中不停地循环，将反应堆的热量不断的传递给蒸汽用来做工。裂变重核和热载体是核反应堆中最主要的两个组成。

5.核反应堆的建设结构

一是堆芯。堆芯也被称为活性区，用来储存浓缩的核燃料以及发生核分裂，包含核燃料、冷却剂、慢化剂以及控制棒。其中，慢化剂能够减少由核裂变生成的快中子的能量，因此保持链反应；冷却剂则是将核心温度降低，并将热量传递给蒸发器；在紧急关头，控制棒可以吸收大量的热原子，导致反应堆无法运转。二是中子反射层。当核心处的中子移动时，一些中子会向核心区外移动。当中子向外逸散的时候，反应堆核心的中子会被反射层反射回来，从而降低反应堆的能耗。三是“三道壳”结构。核电厂因放射性物质多，辐射强，对工作人员的身体和安全造成了很大的危害。为了避免工人受到辐射损害，可以使用“三道壳”来防止放射性物质的伤害。四是屏蔽层。核反应堆运行时会释放出强烈的辐射，不仅破坏周围的物质，还会对周围的居民造成危害，因此一般都会在反应堆外面安装屏蔽层。屏蔽层与“三道壳”的结合，将射线的辐射降低到了人体所能承受的范围内，既保证了工作人员和周围居民的生命安全，又避免了因辐射而造成的财产损失^[3]。

6.结语

核能的应用，可以降低矿物能源的使用量，同时也可以降低二氧化碳的排放量。一座中等规模的核反应堆能够提供源源不断的能源，因此能够实现真正的节约能源和减少碳排放的目的。现在，科学家们正致力于使核反应堆的技术整合，推广出更加先进的反应堆型，这是反应堆发展的趋势。

参考文献

[1]奚轶枫.核电站核反应堆的运行原理及建设结构研究[J].环球市场,2019(3):379.

[2]董建伟.基于核电站基础上的核反应堆的理论分析[J].硅谷,2011(24):26-26.

[3]齐宏斌.探析核电站核反应堆运行原理及建设结构[J].军民两用技术与产品,2016(22):252.