核反應堆是怎麼工作的?


鏈式反應

核反應堆是由原子分裂驅動的,這個過程被稱為裂變,一個粒子(一個中子)被發射到一個原子上,然後這個原子裂變成兩個更小的原子和一些額外的中子。釋放出來的一些中子會撞擊其他原子,導致它們也發生裂變,從而釋放出更多的中子。這叫做鏈式反應。

鏈式反應中原子的裂變也以熱的形式釋放出大量的能量。產生的熱量由循環流體(通常是水)從反應堆中除去。這些熱量可以用來產生蒸汽,進而驅動渦輪機發電。

為了確保核反應以正確的速度進行,反應堆有加速、減速或關閉核反應及其產生的熱量的系統。這通常是用控制棒來完成的,控制棒通常是由吸收中子的材料,如銀和硼製成的。

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核反應堆有許多不同的形狀和大小——一些用水來冷卻核心,而另一些用氣體或液態金屬。最常見的動力反應堆類型使用水,世界上90%以上的反應堆是水基的。

核反應堆在發電方面非常可靠,能夠連續數月、甚至數年不間斷地運行,無論天氣或季節如何。此外,大多數核反應堆可以運行很長一段時間——在許多情況下超過60年。 2019年,佛羅裡達州土耳其角核電站的3號和4號反應堆是世界上第一個獲得運營80年許可的反應堆。

沸水堆和壓水堆

運行中的大多數工廠都是「輕水」反應堆,這意味著它們在反應堆堆芯中使用普通水。

沸水堆(BWR)

在上圖所示的沸水反應堆中,將水煮沸成蒸汽,然後將其送入渦輪機發電。

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壓水堆(PWR)

反應堆的燃料是什麼?

許多不同的材料可以用來為反應堆提供燃料,但最常用的是鈾。鈾儲量豐富,可以在世界各地的許多地方發現,包括海洋中。其他燃料,如鈽和釷,也可以使用。

今天的大多數反應堆包含幾百個燃料組件,每個組件有數千個鈾燃料小球。一個球團所含的能量相當於一噸煤的能量。一個典型的反應堆每年需要大約27噸的新燃料。相比之下,一個類似規模的燃煤發電站將需要250萬噸以上的煤炭才能發電。

核廢料

像任何其它工業一樣,核工業也會產生廢物。然而,與許多行業不同的是,核能只產生很少的碳排放。核電站產生的絕大多數廢物都不是很有放射性,如果用核能來滿足一個人一年的電力需求,只會產生大約5克的高放射性廢料,相當於一張紙的重量。

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