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核能原理与机制

核能的释放主要分为核聚变和核裂变，其中核聚变是由两个以上的较轻原子核结合成一个较重的原子核的核反应过程，聚变反应会释放出巨大的能量——是核裂变反应的四倍，而且聚变反应可以成为未来聚变动力堆的基础。各种计划要求第一代核聚变反应堆使用氘(重氢)和氚(超重氢)的混合物。理论上，只要有几克这些反应物，就有可能产生一太(万亿)焦耳的能量，这大约是发达国家的一个人在60年内所需要的能量。

图1核聚变原理示意图由于原子核间有很强的静电排斥力，只有在一亿摄氏度的超高温下，轻核才有足够的能量克服阻力发生聚变，一旦原子核克服了这种排斥力并进入非常近的范围，它们之间的核吸引力将超过电排斥力，从而实现聚变。原子核的静电斥力与其所带的电荷成正比，因此原子序数越小、质子数越少的轻核聚变所需的动能(温度)就越低。所以只有一些较轻的原子核(例如氢、氘、氚、氦、锂等)才容易发生核聚变，且众多原子核必须被约束在一个小空间内，以增加碰撞的机会。年12月13日，美国能源部宣布首次成功在可控核聚变反应中实现“净能量增益”，这是在实验室中首次实现聚变产生的能量超过消耗的能量。

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核裂变是核能发电运用的主要原理

核电站目前主要是利用铀原子核裂变所发出的巨大能量来发电的，核裂变是指一个质量较重的原子核通过核反应过程分裂为两个或两个以上的中等质量的原子核的过程。并不是所有的原子核都能进行核裂变，只有因为质量过大而不稳定的原子核才会发生裂变。人类想要很好地控制核裂变，就需要利用诱发裂变，对核燃料“点火”，用来“点火”的物质就是“中子”，中子不带电，所以比带电粒子更容易进入原子核，干扰原子核的稳定。中子诱发核裂变，对中子的速度，靶原子核的种类等条件都有严格要求。

图2核裂变示意图

用中子轰击铀-原子核，原子核分裂为2个较轻的原子核，同时产生2~3个中子，若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。如果在燃料中加入一些可以吸收中子的物质，一次裂变产生的3个中子中可能有2个中子被吸收，那么链式反应持续进行，只不过每一次都只发生一个反应，裂变的速度并不增长。如果再多加入一些吸收物质，那么可能产生的3个中子都被吸收，链式反应就此中止。在核反应堆中，反应速率主要由“控制棒”来实现，当需要停止裂变反应时，将足够的控制棒插入燃料中，核反应即停止。

图3中子可以被控制棒吸收从而减小功率

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压水堆是世界核电站主力堆型

核电站堆型的分类方法有很多种，

按用途分，可分为动力堆、生产堆、研究堆、特殊用途堆等；

按照冷却剂和慢化剂来分，又可分为压水堆、沸水堆、重水堆、气冷堆、压力管式石墨沸水堆、快中子增殖堆等。

全世界核电站中以压水堆、沸水堆所占的比例最大，而我国的核电站技术路线也以压水堆为主。压水堆是一种首先用于舰船的核动力堆，以水为冷却剂和中子慢化剂，结构紧凑，经济性、安全性好，安全是许多国家选用压水堆的重要因素，目前是全世界核电站的主力堆型。

图4多种多样的反应堆堆型

与火电厂相比，核电厂主要区别是锅炉不一样，火电厂的锅炉是烧煤的锅炉，核电厂的“锅炉”是核反应堆，专业的术语叫“核岛”，即安全壳及其内部全部的设备或系统。核岛的核心是堆芯，主要由燃料组件及控制棒驱动系统组成。核裂变反应发出的热量被堆芯中的水所吸收，通过一回路流经蒸汽发生器，将热量交换给二回路中的水，二回路以及后面的流程与火电厂是一样的——高温将水转化为蒸汽驱动汽轮机运转，并带动发电机发电。三回路则通过凝汽器和海水等冷源将二回路的蒸汽冷却为水，这些水又被输送回去加热成蒸汽。核电站的三个回路完全隔绝。它们之间通过热传导不停地实现水的循环。

图5压水堆核电站发电的工作原理

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核能发电三回路的构成及作用详解

一回路发生核反应，核心部件包括压力容器、稳压器、蒸汽发生器、主泵等。一回路的核心使命是发生核反应，主要有压力容器、稳压器、蒸汽发生器、主泵等。核反应在压力容器中发生，把水加热到多度；稳压器是为了保持压力在15.5MPa左右，从而令水在多度下依然是液态；蒸汽发生器的作用是产生蒸汽，一回路的水在这里把热量传递给二回路，完成热量交接；主泵作用是让一回路的水流动起来，让热量可以持续的被传递。

二回路推动发电机发电，核心部件包括冷凝器、给水泵、汽轮机等。二回路的主要作用就是发电，一回路的热量通过蒸汽发生器传递给二回路后，由于二回路是常压状态，失去了稳压器提供的压力后马上变成蒸汽，之后流入汽轮机中，使汽轮机飞速转动，并带动发电机产生电力。冷凝器作用是收集汽轮机流出的蒸汽，再把它们变成水，之后送回蒸汽发生器。给水泵也是维持二回路的水/蒸汽不断流动的。

三回路结构简单而作用重大，主要负责降温。三回路主要负责把海水等冷源从海里抽上来再通过冷却水循环泵推到冷凝器中，将多余的热量带出，给整个回路降温，使系统各部分不会因过热而出现故障。

图6压水堆核电站三条回路示意图

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