核電站工作原理及發(fā)展前景展望

馬敬清

[摘? ? 要]基于經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的現(xiàn)狀以及國(guó)際局勢(shì)的變化，能源成為未來(lái)各個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)能否持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。文章通過(guò)文獻(xiàn)研究法以及措施分析法等方式，對(duì)能夠緩解目前能源使用短缺現(xiàn)象的核能發(fā)電站進(jìn)行了工作原理的闡述，并嘗試對(duì)其未來(lái)的發(fā)展前景進(jìn)行展望，以期能夠推動(dòng)核能的進(jìn)一步運(yùn)用。

[關(guān)鍵詞]核電站;工作原理;發(fā)展前景

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM623 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）09–0–02

[Abstract]Based on the status quo of economic construction and development and the changes in the international situation， energy has become a key factor in the sustainability of the economic construction of various countries in the future. In this paper， through literature research methods and measures analysis methods， the working principle of nuclear power plants that can alleviate the current shortage of energy use is explained， and an attempt is made to look forward to its future development prospects in order to promote the further use of nuclear energy.

[Keywords]nuclear power plant; working principle; development prospect

核能是推動(dòng)社會(huì)發(fā)展和人類(lèi)建設(shè)的關(guān)鍵性能源，但是核能在使用過(guò)程中很容易觸發(fā)安全問(wèn)題，也很容易導(dǎo)致周?chē)h(huán)境出現(xiàn)較為嚴(yán)重的污染，因此在進(jìn)行核能使用的過(guò)程中，保障其安全性能，降低其對(duì)周遭環(huán)境的負(fù)面影響，成為了現(xiàn)階段核電站工作人員在日常研究的重心。

1 核電站工作的基本原理分析

要對(duì)核電站的發(fā)展前景進(jìn)行深入的研究與討論，首先就要對(duì)相關(guān)核電站的運(yùn)行基本原理進(jìn)行一個(gè)充分的探究。在普通的火力發(fā)電站發(fā)電過(guò)程中，需要通過(guò)燃燒化石燃料來(lái)進(jìn)行能量的獲取，化石燃料在燃燒的過(guò)程中所產(chǎn)生的能量被稱(chēng)作化學(xué)能，這種化學(xué)能能夠使得物體運(yùn)動(dòng)的位置發(fā)生變化，對(duì)人們的生產(chǎn)與生活有極大的影響。這種化學(xué)能究其根本，是由原子的結(jié)合與分離而產(chǎn)生的一種能量，與原子核并無(wú)多大的關(guān)聯(lián)。眾所周知，原子由兩部分組成，一是原子核，二是電子。如果想辦法使得原子核內(nèi)的中子和質(zhì)子出現(xiàn)聚合或裂變等現(xiàn)象，那么其相互之間的吸引力就會(huì)在一瞬間釋放出來(lái)，轉(zhuǎn)換成巨大的能量，這種能量被稱(chēng)為核能。核能的最早發(fā)現(xiàn)者是德國(guó)的一名科學(xué)家，他在1938年的時(shí)候通過(guò)對(duì)鈾原子的試驗(yàn)觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)原子核可以通過(guò)裂變產(chǎn)生巨大的能量，雖然當(dāng)時(shí)試驗(yàn)所迸發(fā)出的能量極其不穩(wěn)定，但這種能量無(wú)疑是巨大的，相比較使用火力發(fā)電方式所創(chuàng)造出的化學(xué)能要強(qiáng)出許多倍。如果能夠通過(guò)可控的方式來(lái)進(jìn)行原子核的裂變反應(yīng)，那么就能夠迸發(fā)出巨大的能量。為此有關(guān)科學(xué)家從火力發(fā)電的原理中汲取經(jīng)驗(yàn)，在火力發(fā)電的過(guò)程中需要使用化石燃料燃燒，并使用水蒸汽來(lái)進(jìn)行發(fā)電。類(lèi)似的，在進(jìn)行核電站發(fā)電的過(guò)程中，技術(shù)人員可以嘗試通過(guò)持續(xù)的核燃料裂變反應(yīng)，產(chǎn)生巨大的能量，這種能量可以推動(dòng)蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。因此相比較火力發(fā)電而言，使用核能來(lái)進(jìn)行發(fā)電，工作原理是相類(lèi)似的，這便是核電站的基本工作原理。

2 核裂變反應(yīng)的主要類(lèi)型分析

實(shí)際上核裂變的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)有很多種，不同類(lèi)型的核裂變反應(yīng)堆能夠產(chǎn)生不同的效果，有關(guān)研究人員根據(jù)不同核裂變的反應(yīng)特征，進(jìn)行了不同類(lèi)型核電站的建設(shè)，以期能夠使其在人們的日常生產(chǎn)生活中發(fā)揮更為巨大的作用。

2.1 輕水堆核電站

輕水堆核電站是目前運(yùn)用最為廣泛最為常見(jiàn)的核電站。這種類(lèi)型的核電站在日常的運(yùn)行過(guò)程中需要使用普通水來(lái)進(jìn)行冷卻，按照詳細(xì)的結(jié)構(gòu)又可分為兩類(lèi)。

其中一類(lèi)被稱(chēng)作壓水堆核電站，這類(lèi)核電站需要通過(guò)主循環(huán)泵進(jìn)行水的送入，在反應(yīng)堆吸熱后，將其送入到蒸汽發(fā)生器下，進(jìn)行熱量傳遞，在熱量傳遞完成后，再進(jìn)入到主循環(huán)泵中。這是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程。在一次循環(huán)后進(jìn)入到二回路內(nèi)的水將變成蒸汽進(jìn)入到發(fā)電機(jī)的汽輪當(dāng)中，進(jìn)行發(fā)電機(jī)的發(fā)電，這兩個(gè)回路是相互隔絕的，因此不會(huì)出現(xiàn)任何水質(zhì)被污染的現(xiàn)象，這是目前使用最為廣泛的核電站種類(lèi)，在我國(guó)這類(lèi)核電站一共有9臺(tái)。

除了壓水堆核電站外，另一類(lèi)是沸水堆核電站，也是較為常見(jiàn)的一種核電站，它與壓水堆有較為明顯的不同，并不存在第2回路，水可以直接在反應(yīng)堆內(nèi)沸騰后轉(zhuǎn)化成蒸汽，進(jìn)入到發(fā)電機(jī)的汽輪內(nèi)幫助發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。這種發(fā)電方式更為快速直接，但是很可能會(huì)讓放射性物質(zhì)進(jìn)入到汽輪機(jī)內(nèi)部，因此存在一定的危險(xiǎn)性。

2.2 重水堆核電站

重水堆核電站所用的水是氧化單氘，相比較輕水堆核電站而言，重水堆核電站用作冷卻劑的物質(zhì)是重水。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面與壓水堆核電站有一定的相似之處，但相比較輕水堆核電站而言，重水堆核電站有較為良好的慢化性能，因此較為適合在天然鈾資源豐富的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行使用。我國(guó)在天然鈾資源豐富的區(qū)域內(nèi)也會(huì)考慮使用重水堆核電站來(lái)進(jìn)行發(fā)電。

2.3 氣冷堆核電站

無(wú)論是重水堆核電站還是輕水堆核電站，都是以水體資源為冷卻劑和慢化劑來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的核能發(fā)電。但氣冷堆核電站則不同，氣冷堆核電站是以氣體為冷卻劑來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的核能發(fā)電，但氣體的慢化作用并不優(yōu)秀，因此有些技術(shù)研究人員嘗試添加使用耐高溫的石墨作為氣冷堆核電站的慢化劑來(lái)進(jìn)行相應(yīng)漫化功能的承擔(dān)。具體而言，在反應(yīng)過(guò)程中，氣體將會(huì)進(jìn)入到反應(yīng)堆進(jìn)行加熱，并在加熱后進(jìn)入到蒸發(fā)器中變成蒸汽來(lái)幫助發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。相比較輕水堆核電站和重水堆核電站而言，氣冷堆核電站也有自身一定的優(yōu)勢(shì)，它的發(fā)電效率較高，并且能夠耐高溫，因此有些區(qū)域也會(huì)考慮使用這種方式來(lái)進(jìn)行核能發(fā)電。

2.4 快中子增殖堆核電站

在前幾種核電站的核能發(fā)電進(jìn)程推進(jìn)時(shí)，都需要依靠慢化氣來(lái)進(jìn)行核裂變速率的控制，但這樣的發(fā)電方式并不能充分地利用核燃料，會(huì)導(dǎo)致核燃料資源大量的浪費(fèi)，為了能夠使得核燃料資源得到進(jìn)一步的使用，有關(guān)技術(shù)研究人員嘗試進(jìn)行快中子增殖堆的研究。所謂快中子，指的是并沒(méi)有經(jīng)過(guò)慢化劑慢化的中子，相比較慢化中子而言，快中子蘊(yùn)藏著巨大的能量。因此在進(jìn)行快中子使用的過(guò)程中，除了能夠維持它原本能夠產(chǎn)生的自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)之外，還有多余的中子可以進(jìn)行再生材料的進(jìn)一步運(yùn)用與轉(zhuǎn)換，因此相比較使用慢化中子來(lái)進(jìn)行相應(yīng)反應(yīng)推進(jìn)的方式而言，快中子增殖堆在核燃料的使用率上達(dá)到了前所未有的高度，因此這種類(lèi)型的核電站。是未來(lái)核能運(yùn)用的方向，有關(guān)技術(shù)研究人員應(yīng)當(dāng)對(duì)此引起足夠的重視。

3 國(guó)外核電站發(fā)生與發(fā)展的歷程分析

國(guó)外有關(guān)核能源的運(yùn)用已經(jīng)經(jīng)歷了較為漫長(zhǎng)的時(shí)間，可以大致被分為如下幾個(gè)階段。20世紀(jì)50年代到60年代，在這一時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，國(guó)外的有關(guān)研究者只是開(kāi)始嘗試進(jìn)行核電站的試驗(yàn)與使用，并未形成較為科學(xué)合理的核電使用方式和使用系統(tǒng)。第1個(gè)投入使用的核電站在蘇聯(lián)，當(dāng)時(shí)所建立的核電站在運(yùn)用安全性能和資源利用方面均不理想，但已經(jīng)打開(kāi)了能源轉(zhuǎn)換運(yùn)用的局面。而到了20世紀(jì)的70年代到80年代，核電站則進(jìn)入了快速發(fā)展騰飛的階段，世界上的核電站建設(shè)總量快速增加，且相應(yīng)發(fā)電機(jī)組的容量也產(chǎn)生了突飛猛進(jìn)的突破。但在這一過(guò)程中核電站發(fā)生事故也此起彼伏，美國(guó)，蘇聯(lián)均發(fā)生過(guò)較為大型的核電站事故，正因如此有關(guān)核電站的使用安全性逐漸為科學(xué)家們所重視，許多技術(shù)研究者嘗試通過(guò)提升核電站的建設(shè)成本和建設(shè)周期的方式來(lái)進(jìn)行核電站使用安全性能的進(jìn)一步保障。在20世紀(jì)80年代后期，由于世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展速率的影響，全球的核電站建設(shè)與創(chuàng)新逐漸步入了平穩(wěn)階段，但隨著不可再生能源的大量使用，導(dǎo)致能源枯竭現(xiàn)象愈發(fā)明顯，較為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題不斷顯現(xiàn)，人類(lèi)的生存壓力日益加大。在這種情況下，各國(guó)又開(kāi)始重視起核電資源的使用，希望能夠通過(guò)核能的合理運(yùn)用來(lái)緩解不可再生資源使用的壓力。因此到了20世紀(jì)后期，各個(gè)國(guó)家都開(kāi)始重視起核電站的發(fā)展與建設(shè)，希望能夠通過(guò)核電的運(yùn)用來(lái)進(jìn)行環(huán)境問(wèn)題的解決。

但需要注意的是，目前各國(guó)所建設(shè)的核電站均是以核裂變反應(yīng)堆為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行有關(guān)機(jī)組運(yùn)行的，以核裂變反應(yīng)堆來(lái)迸發(fā)出的巨大能量，的確可以進(jìn)行發(fā)電機(jī)的發(fā)電，但這種核裂變方式所迸發(fā)的能量并不穩(wěn)定安全，且需要耗費(fèi)大量的資金才能夠確保其正常使用。相比較核裂變反應(yīng)堆而言，以核聚變反應(yīng)堆為主來(lái)進(jìn)行的核能發(fā)電更為穩(wěn)定安全，更符合現(xiàn)階段人民群眾的能源使用期待。但在技術(shù)研究上，使用核聚變反應(yīng)來(lái)進(jìn)行核能資源的運(yùn)用仍然存在著一定的難度，因此各國(guó)研究者還應(yīng)當(dāng)不斷地進(jìn)行有關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新與完善。通過(guò)現(xiàn)階段對(duì)核聚變反應(yīng)堆系統(tǒng)的研究不難發(fā)現(xiàn)海水中的相應(yīng)核聚變能源能夠?yàn)槿祟?lèi)使用很長(zhǎng)一段時(shí)間。換句話(huà)說(shuō)，只要能夠熟練地掌握核聚變反應(yīng)堆的應(yīng)用技術(shù)，就能夠讓人類(lèi)在清潔能源使用的發(fā)展背景下，進(jìn)行安全的生存與繁衍。因此進(jìn)行核聚變反應(yīng)堆核電站的研發(fā)顯得尤為重要，這不僅能夠解決現(xiàn)階段日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，還能夠使得清潔能源的長(zhǎng)期穩(wěn)定使用從理論變成現(xiàn)實(shí)。

4 國(guó)內(nèi)核電站的發(fā)生與發(fā)展歷程分析

相比較國(guó)外的核能運(yùn)用探索和研究而言，國(guó)內(nèi)核能的運(yùn)用和探索并未經(jīng)歷較為漫長(zhǎng)的時(shí)間階段。實(shí)際上國(guó)內(nèi)核能的利用與探索最早開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，20世紀(jì)80年代到20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)的核能運(yùn)用處于起步探索階段。最早在我國(guó)建立的核電站是秦山核電站，這一核電站在1985年方才開(kāi)始進(jìn)行施工，在投入商業(yè)運(yùn)行后，為我國(guó)的核能資源運(yùn)用開(kāi)辟了一條與眾不同的道路。這是一個(gè)壓水堆核電站，它的建設(shè)完成具有重大意義，意味著中國(guó)已經(jīng)有能力建造屬于自己的核電站。而在20世紀(jì)90年代中期后，有關(guān)研究人員又對(duì)秦山核電站進(jìn)行了不斷的拓展，現(xiàn)階段的秦山核電站已經(jīng)擁有了4座核電站和8臺(tái)發(fā)電機(jī)，成為了我國(guó)核能發(fā)電以及核能資源運(yùn)用的先驅(qū)。而進(jìn)入到了21世紀(jì)后，世界各國(guó)的核電站運(yùn)行過(guò)程中重大事故頻發(fā)，因此我國(guó)有意識(shí)地進(jìn)行核電站建設(shè)與推進(jìn)事業(yè)的步調(diào)控制，爭(zhēng)取在更為高效安全的前提下進(jìn)行核電站建設(shè)。相比較陸地核電站而言，海上核電站的風(fēng)險(xiǎn)性要小一些，因此我國(guó)將核電站的建設(shè)重心放置在海上，并嘗試使用更穩(wěn)健的方式進(jìn)行內(nèi)陸核電站項(xiàng)目的持續(xù)推進(jìn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展以及核能資源發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步完善。但這并不意味著我國(guó)的核能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)到達(dá)了頂尖水平，實(shí)際上，我國(guó)還將需要以三步走的戰(zhàn)略來(lái)進(jìn)行核能發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新與研究的持續(xù)性推進(jìn)?，F(xiàn)階段我國(guó)的核能發(fā)電仍然是以壓水堆核電站為主，但實(shí)際上核聚變堆發(fā)電才是未來(lái)核能發(fā)電技術(shù)研究的主要方向。因此我國(guó)未來(lái)的核能發(fā)電技術(shù)研究將朝著這個(gè)方向邁進(jìn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

核電發(fā)展歷經(jīng)了較為漫長(zhǎng)的階段，在未來(lái)的能源運(yùn)用方面，核能資源將會(huì)成為主要能源。因此任何一個(gè)國(guó)家都應(yīng)當(dāng)重視起核能發(fā)電技術(shù)的運(yùn)用與創(chuàng)新，通過(guò)加大資金投入和人才投入的方式，來(lái)進(jìn)行核能發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步改革，爭(zhēng)取使得未來(lái)的新能源利用普及率能夠得到進(jìn)一步的提升與完善，只有如此，人類(lèi)未來(lái)的生存環(huán)境才能夠更加穩(wěn)定，獲得良好的發(fā)展。

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