奇葩的重水堆,除了发电,还有一项独门绝技
>首页 -> 下载中心 -> 科学自然 [ 录入者:佚名 | 时间:2017-04-20 | 作者:国际核电的那些事 | 来源:搜狐 | 浏览:778次 ] 改变字体:【

在世界主流的商用核电堆型中,重水堆确实是一朵奇葩。单单从外观上,你就会惊讶,这是个什么玩意?

先看看重水堆的构造。普通的轻水反应堆形象地说就是一口大锅,锅里面摆满了核燃料,扣上锅盖就可以启动发电。而重水堆则完全不同,重水堆的反应堆堆型由一根根独立的压力管构成,每根压力管中放十来根核燃料,这些压力管通过支管连接起来,泡在另一个装满重水的大容器中,构成了反应堆的堆芯。

打个比方,普通轻水反应堆就是一个大电瓶,能量都贮存在一个大罐子里,而重水堆则是一节节电池串联而成的电池组。

大家可以通过下面两幅图随意感受下重水堆和轻水堆的区别。

由数百根压力管构成的重水堆堆芯

压水堆堆芯,一个大罐子

普通压水堆堆芯中的轻水,既是慢化剂和又是冷却剂,高温高压。重水堆则不同,压力管中高温高压的重水是冷却剂,压力管外面的大容器中低温低压的重水则是慢化剂。重水堆这种特殊的结构,使得反应堆调节棒可以布置放在压力管外面。重水堆的这种结构,并不是为了追求个性,而是为了实现一项重要的功能,过会儿再讲。

连接重水堆堆芯各压力管的密集支管

重水堆,不仅仅是造型奇特,其作用更加是超出你的想象。

目前,世界的商用重水堆,大部分都是由加拿大提供技术建造,剩下的,也是基于加拿大的重水堆技术建造的,因而可以说,加拿大是世界商用重水堆的摇篮。

与普通反应堆使用轻水作为冷却剂和慢化剂不同,重水反应堆堆型中的冷却剂和慢话剂使用的都是昂贵的重水。重水在轻水中的含量极低,提取费用极高,一克重水的价格几乎等同于一克黄金的价格,而一座重水堆需要的重水好几十吨,所以,与其说重水堆堆芯内流动的是重水,不如说堆芯中流动的是液体黄金。

所以,一般来说,重水堆的造价要远远高于同等大小的轻水反应堆。毕竟,轻水堆内水的价格比矿泉水高不了多少,而重水堆中重水的价格则与黄金差不多。

那么,重水堆这么贵,为何还要大费周章的去建设重水堆呢?因为,重水堆有相比普通压水堆的过人之处。

首先,重水堆可以用天然铀作为燃料。因为铀浓缩技术与原子弹密切的联系,一般的国家如果不经过美国允许搞铀浓缩技术,不管你是不是只想搞核电,美国都会认为你是想搞原子弹,绝对会送给你超出想象的制裁,比如,以前的印度,巴基斯坦,以色列,现在的伊朗和朝鲜,都深有体会。不过这也不能怪美国,毕竟,拥有铀浓缩技术的国家,还没有发现不想顺带搞原子弹的。

因而,重水堆的这一特性,给了想发展核电又怕美国制裁的国家一条可选的技术路线。据说,加拿大当时就是迫于美国压力不能进行铀浓缩活动,而又想发展核电,才剑走偏锋选择了研究重水堆。

不过讽刺的是,由于重水堆钚生产效率很高,建了重水堆的国家后来都免不了去发展钚提取和浓缩技术,研究原子弹。比如印度就是典型的例子,印度生产原子弹的钚大都是来自于加拿大60年代帮助建造的重水反应堆。

重水堆的第二个优点就是不停堆换料,即在满功率状态下,特制的换料机器人可以在反应堆满功率的情况下,对高温高压的反应堆进行换料操作。这种随时为反应堆补充反应性的特点,可以让核电厂更灵活的安排反应堆的检修时间。

至于重水堆怎么换料的?看到重水堆堆芯的结构,很多人估计已经脑补出不停堆换料的过程:用棍子将乏燃料从压力管中捅出来,然后从另一端塞入新燃料。

真的是这样吗?

恭喜你,答对了。过程描述就是这么简单。只是,反应堆是高温,高压,高辐射区域,过程细节会比上面的描述复杂得多,而那根捅燃料的“棍子”,也不是普通的棍子,而是两台十分精密的带着“棍子”的换料机器人。

重水堆通过换料机器人在满功率时换料

顺带说一点,重水堆首次装料时,一个堆芯近五千组燃料棒,全是工作人员站在反应堆压力管前面,用棍子捅进去的(没想到反应堆装料竟然和农村土灶添柴的感觉一样吧)。

重水堆工作人员进行换料操作

重水堆的第三个特点,就是钚的生产效率要远远高于一般的反应堆。早期的原子弹工程中,为了生产钚,反应堆一般都是选用的重水堆。这个不多说了,大家都懂。

重水堆的第四个特点,就是可以用来生产氚。反应堆的氢同位素氘与中子反应后会生成氚,而氚是研究聚变反应的基本燃料,其他作用也不多说,这个大家也懂。

说了这么多,重水堆除了发电和生产钚,似乎离我们的生活很遥远?真是这样吗?显然不是。因为重水堆还有一项十分重要,其他反应堆都不会的独门绝技:生产钴60.

钴60是个什么玩意?大家或许只在《》一文中体会到了这个玩意的厉害。

实际上,钴60的用途非常广泛,几乎遍及各行各业,在农业上,它用于辐射育种,刺激增产,辐射防止病虫害和食品辐照保藏与保鲜。工业上,它用于无损探伤,辐射消毒,辐射加工,辐射处理废物,以及用于厚度、密度、物理位置的测定和在线自动控制等。钴60可代替X射线和镭检查物体内部结构,探测物体内部的裂缝或异物,在医学上常用语癌症和肿瘤的放射性治疗,也用于化学,物理和生物学研究。

水池中的钴60

钴60的应用涉及到许多许多行业,以我国经济的体量,钴60在我国市场巨大。可惜的是,我国曾经所有的钴60都只能进口于国外。此时,有人可能会问,说中国秦山三期有两座引进于加拿大的重水堆,为何中国不能自己生产钴60呢?

我国秦山核电基地的重水反应堆

实际上,我国引进加拿大的重水堆技术时,就考虑到了这一点。奈何加拿大不愿意自己的垄断地位被打破,不管我国如何谈判,加拿大就是不肯转让钴60的生产技术。

有人问,重水堆都有了,自己去试着研究啊。说得轻巧。生产钴60的部件就是反应堆的调节棒,用于堆芯功率控制和展平,如果冒然拿反应堆做试验,很有可能弄出后果严重的核事故,谁都不敢这么玩。

难道我国如此大的市场,就拱手让给国外?以兔子的尿性,显然不会。

钴60的制备原理和重水堆换料一样理论上十分简单,不过是将重水堆内的普通调节棒,换成由钴60的同位素钴59制成调节棒。钴59在堆芯受中子辐照后,就会变成钴60,在反应堆停堆期间,将停堆棒取出来,再换入新的调节棒,钴60就算生产出来了。

但是,用钴调节棒替代普通调节棒的难点在于钴与普通调节棒的物理特性不一样,技术细节需要精密的计算和大量的反应堆运行经验才能得出来。这也是很多国家虽然有重水堆,但是没有钴60生产技术的原因。

在加拿大转让钴60生产技术无望后,我国开始自行研究利用重水堆生产钴60的技术。在通过几年的计算分析后,最终无师自通,掌握了钴60生产技术,并顺利在我国秦山三期的两座重水堆上实现了钴60生产。细节就不说了,这项工程是我国核工业许多部门通力合作,花费了许多的人力物力研究出来的,其中过程的艰辛,大家可以想象一下。

我国秦山核电基地目前有两座引进自加拿大的商用重水堆,这两座重水堆每年生产的钴60,可以满足我国近80%的需求,打破了国外的垄断。

我国钴60生产现场,用新的调节棒置换已经辐照好的钴调节棒

在对先进技术的获取上,兔子一直保持着如饥似渴的状态,钴60生产技术的成功,不仅让我过的钴60的需求不再受制于人,其长期意义更加重大。

目前世界上大部分商用重水堆都已经老化,而由于核安全,成本问题,几乎没有新建的重水堆项目。可以预见,未来二三十年中,目前运行的商用重水堆将大量退役,尤其是加拿大和阿根廷等有钴60生产能力的国家的重水堆退役,将会使得世界钴60的生产受较大影响。

而我国在研究钴60生产技术的同时,就已经开始布局新一代先进重水堆的建造,在不久的将来,商用重水堆和钴60生产这一原本被加拿大等少数国家垄断的行业,将会被中国分享甚至主宰,这个就是传说中的战略眼光吧。

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