高中物理/核與輻射/核電站簡介

經過前面的學習，我們已經掌握了核裂變反應的基本原理與反應過程。既然核裂變反應能釋放出如此巨大的能量，我們為什麼不能把這些能量利用起來為人類服務呢？這個想法其實在核反應發現之初就已經有人在思考了。現如今座落在世界各地的核電站正是這個想法的實踐典範。

核電站的本質

定義：核電站（核電廠）顧名思義就是利用核能發電的工廠。

從定義上看，核電站之所以稱之為核電站，是因為它有一套特殊的能量轉換關係。它的最初能量來源來自維繫核子的核能。

一種核素通過裂變（或聚變）的方式轉變為新的核素。這個轉變的過程導致系統總質量出現了「虧損」，也就是說部分質量轉變成了能量。這種釋放出來的能量就是所謂的核能。

釋放出來的核能大部分由各種裂變碎片攜帶，碎片在反應爐中不斷的相互撞擊、傳遞能量，使得反應爐中的粒子平均動能增加。也就是說核能轉化為了熱能。

一旦獲得了熱能，剩下的就好辦了，因為我們有利用熱能發電的火電廠（熱電廠）作為設計原型。與這些電廠的設計類似，核電站利用生成的熱能加熱水產生蒸汽，蒸汽膨脹推動汽輪機轉動。從而將熱能轉化為汽輪機的機械能。汽輪機與發電機使用同一根軸相連，使得發電機與汽輪機一起轉動。這樣發電機從汽輪機處獲得了機械能也轉動起來。

最後，發電機的轉動使發電機線圈切割磁感線，從而產生了電能。使用輸電線路傳輸到電網當中。

核電站的分類

由於反應爐在核電站中佔有絕對重要的地位，因此核電站的分類，本質上是對反應爐的類型進行分類。在全世界眾多的核電站中，發電基本原理都是相同的。但各個核電站反應爐內部使用的傳遞介質和能量轉變的過程則各不相同。各核電站正是依據這些不同之處來區分的。

輕水反應爐（Light Water Reactor, LWR）

輕水，亦即普通水。使用這個概念是為了與重水（²HO₂）相區別。輕水反應爐（簡稱輕水堆）是指那些利用輕水作為慢化劑和冷卻劑的反應爐。輕水在這類反應爐中作為冷卻劑，將燃料裂變產生的大量熱量帶走，並冷卻堆芯，防止堆芯燒毀。同時，該類反應爐也利用輕水作為慢化劑，慢化裂變產生的快中子，使其速度降低，使中子引起其他燃料裂變的幾率增加，維持鏈式反應。

輕水堆還可分成幾個子類型，其中最流行的是壓水堆（Pressurized Water Reactor, RWR）和沸水堆（Boiling Water Reactor, BWR）。這兩種反應爐的重要區別是：壓水堆包含有兩個迴路，一迴路的壓力很高，水在一迴路中並不沸騰。一迴路只是將反應爐的熱能傳遞到二迴路中而已；而沸水堆則只有一個迴路，壓力相對較低，水直接在反應爐中沸騰產生蒸汽。中國大陸的大亞灣核電站就是採用的壓水堆；而台灣第一核能發電廠則是採用的沸水堆。

重水反應爐（Heavy Water Reactor, HWR）

與輕水堆不同的是，重水堆使用重水作為慢化劑和冷卻劑。這樣做的好處是可以減少慢化劑和冷卻劑對中子的吸收。但相對與輕水，重水的價格卻顯得非常昂貴。典型的重水反應爐例子是加拿大的CANDU堆，中國大陸秦山核電站三期機組就是採用的CANDU堆。

石墨慢化堆（RBMK）

顧名思義，石墨慢化堆就是利用石墨作為慢化劑的反應爐，但反應爐的冷卻劑還是使用輕水。典型的石墨慢化反應爐為前蘇聯研發的壓力管式石墨慢化沸水反應爐。但這種類型的堆存在致命的設計缺陷，導致了震驚世界的切爾諾貝爾核事故，因此現在不再採用這種反應爐了。

其他反應爐

除了上述反應爐類型外，還有很多其他的反應爐類型。比如高溫氣冷堆，它使用二氧化碳作為冷卻劑；還有快中子增殖堆，這種反應爐不使用慢化劑，直接利用快中子，可以極大提高燃料的利用效率（增殖）。

典型核電站

由於目前世界上大多數核電站採用壓水堆技術，因此我們就以壓水堆核電站為例介紹核電站的典型結構。

核燃料

核燃料可以分為兩類：易裂變核素和可裂變核素。

易裂變核素是指那些可以大量直接與熱中子反應的核素，比如鈾-233、鈾-235和鈈-239。其中只有鈾-235是天然核素，也是目前各個核電站使用最廣泛的核燃料。

可裂變核素是指那些自己不能大量與熱中子直接反應，但卻可以吸收中子轉換為易裂變核素的核素，比如釷-232和鈾-238。

不同的反應爐，核燃料的組成、形狀和參數也不同。壓水堆核電站的燃料棒基本都是棒狀的。燃料棒的外殼（包殼）是由鋯合金製成的密封長管筒。管內裝有圓柱體狀的二氧化鈾（鈾-235）陶瓷。

美國核管理委員會(NRC)提供的新制的二氧化鈾陶瓷核燃料芯塊圖片。
燃料芯塊組裝過程。
正在檢測的組裝完成的燃料棒。

核反應控制

正如大家所了解的那樣，不可控的核裂變是極其危險的。原子彈就是一個極端的不可控核裂變反應的例子。雖說核電站並不會真的像原子彈那樣爆炸，但是一旦核電站發生不可控核反應，並讓其繼續發展下去，其後果也是相當嚴重的。切爾諾貝爾核事故就是一個明顯的例子。

因此，對核電站安全運行來說，反應性的控制是極端重要的。下面我們就來簡要看一看核電站怎麼控制核反應使其平穩地進行。

通過前面的知識我們已經知道，核反應是一種鏈式反應。維持這種鏈式反應需要兩個條件——核燃料與中子。只要消除任意一個條件，鏈式反應便無法進行。核電站就是利用控制反應爐內中子的數量來控制核反應的。

控制棒

控制棒是利用強中子吸收材料製作成的棒狀裝置。他對中子有非常強的吸收作用，一旦插入反應爐，便能迅速減少反應爐內的中子水平。從而打破鏈式反應平衡，使核反應減弱或者停止。

控制棒的優點是吸收力強、速度快，但控制棒的插入會引起反應爐中子分佈的畸變。

硼酸

硼酸是另一種強中子吸收材料，它溶解在慢化劑（水）中。能非常均勻的對反應爐內中子進行吸收，而不會導致中子分佈的畸變。然而，與控制棒恰恰相反，硼酸的作用需要較長的時間，速度慢。不能用作緊急情況下的反應性控制。

可燃毒物

可燃毒物是一種類似控制棒的物質，它一般只在第一次裝核燃料的時候放入堆芯，因為第一次裝的燃料都是新燃料，反應性比較大，裝入可燃毒物可以減少中子的量，從而達到平衡的目的。

安全屏障

單單保證反應性控制對安全生產來說是不夠的，對公眾也是不負責任的。核電站必須考慮即使在事故（這裏的事故是指設計上考慮的最嚴重事故）情況下，也不能危及公眾的安全。因此，必須針對核電站事故情況下可能的放射性物質的泄漏採取相應的措施。

核電站採用三層保護邊界來防止放射性產物擴散到環境中，它們從裏到外分別是燃料包殼、一迴路壓力邊界、安全殼。

燃料包殼

燃料包殼是包裹核燃料（UO₂）芯塊的一層金屬套管，通常使用鋯合金材料製作。這種合金具有熔點高，機械性能好等優點。

核反應生成的裂變產物（多數為氣體）在燃料包殼內不斷積累，只要包殼沒有破損，裂變產物就不會釋放。因此燃料包殼是核電站放射性產物包容的第一道屏障。

一迴路壓力邊界

壓水堆核電站分成一、二兩個迴路，只有一迴路才與反應爐直接接觸。因而，當第一道屏障——燃料包殼破損之後，放射性產物會泄漏到一迴路中，此時一迴路的邊界就成了第二道屏障，起到防止放射性產物釋放的作用。

安全殼

安全殼是一個內襯鋼板的鋼筋混凝土建築，主要用來容納一迴路的設備。

當燃料包殼和一迴路均被突破，放射性產物便可以釋放到安全殼中。此時只要安全殼是完好的，放射性產物便不會大量泄漏到環境中。