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17.2: 利用核能发电

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    核燃料循环

    必须开采、研磨和浓缩铀矿石才能生产核燃料。 核燃料循环代表了核燃料从产生到处置的过程（图\(\PageIndex{a}\)）。 核燃料循环的第一阶段是铀回收，即开采铀矿石。 然后将其研磨成黄饼（铀矿石浓缩物/氧化铀/U 3 O 8）。 研磨将铀与矿石的其他部分分开。 每开采一吨铀矿石通常会产生 1-4 磅的黄饼（0.05% 至 0.20% 的黄饼）。 接下来，铀矿石浓缩物被转化为六氟化铀（UF 6）。 然后对其进行浓缩，使铀 235（235 U）的浓度相对于 238 U的浓度在燃料制造过程中，天然和浓缩的UF 6 被转化为二氧化铀（UO 2）或铀金属合金，用作燃料用于核电厂。 《核能的后果》中讨论了在此过程中产生的乏燃料棒和其他危险废物的处置。

    箭头和图标代表核燃料循环的各个阶段
    图\(\PageIndex{a}\)：核燃料循环从回收（开采）天然铀开始，然后是研磨、转化和浓缩。 然后，浓缩铀经过燃料制造，生产二氧化铀（UO 2）或铀金属合金（MOX）。 然后，燃料进入发电厂的核反应堆。 乏燃料棒储存在水池或干桶中，可能经过再加工，然后送去处置。 再处理的铀可以重新进入燃料循环的早期阶段。 浓缩过程中产生的废物在处置之前要经过转化。 图片来自美国 NRC（公共领域）

    核反应堆

    这种燃料现在以圆柱形陶瓷颗粒的形式出现，然后被密封在称为燃料棒的长金属管中，这些金属管与控制棒一起组装在反应堆芯中。 每个燃料颗粒的长度约为 1 厘米，储存的能量与一吨煤相同。 成千上万的燃料棒形成了反应堆核心，这是核电厂核裂变的场所（图\(\PageIndex{b}\)）。

    以 3D 矩形排列的闪亮圆柱形金属管
    图\(\PageIndex{b}\)：含有核燃料颗粒的燃料棒组件。 图片由法国替代能源和原子能委员会提供（公共领域）

    当中子撞击铀原子时，核反应堆会产生热量，导致铀原子在连续的连锁反应中分裂，从而释放热能（图\(\PageIndex{c}\)）。 具体而言，235 U 的裂变会释放额外的中子，从而导致附近的 235 个铀核裂变。 但是，如果裂变同时发生在太多的原子中，则会释放出过多的能量，这可能导致爆炸或崩溃。 这种情况可以通过控制棒来防止，控制棒由硼等材料制成，可以吸收核裂变中释放的多余中子。 当中子吸收控制棒从核心中拉出时，有更多的中子可用于裂变，连锁反应加快，产生更多的热量。 当它们被插入核心时，可用于裂变的中子就会减少，连锁反应会减慢或停止，从而减少产生的热量。

    铀235的裂变是由中子引起的，中子会引起连锁反应
    图\(\PageIndex{c}\)：裂变链反应示意图。(1) 铀235原子吸收一个中子，分裂成两个新原子（裂变碎片），释放出三个新的中子和能量。（2）其中一个中子被铀238原子吸收，不会继续反应。 另一个中子只是丢失了，不会与任何东西碰撞，也无法继续反应。 但是，一个中子确实与铀235原子碰撞，然后裂变并释放出两个中子和一些结合能。（3）这两个中子都与铀-235原子碰撞，每个原子在一到三个中子之间裂变和释放，依此类推。 Fastfission（公共领域）的图片和标题（修改）。

    核反应堆（图\(\PageIndex{d}\)）包含反应堆核心和利用释放的热量发电所需的机械。 反应堆核心被浸入水中。 除了传递热能外，水还可以减缓或 “调和” 维持裂变反应所必需的中子。 最终，热能被用来产生高压蒸汽，从而使涡轮机产生电力。 其机制类似于煤炭或天然气发电，但核裂变而不是煤炭燃烧是热能的来源。

    标有五个步骤的核电站部分
    图\(\PageIndex{d}\)：（1）在核反应堆中，装满铀颗粒的燃料棒被放置在水中。（2）在燃料棒内部，铀原子分裂，释放能量。（3）这种能量加热水，产生蒸汽。（4）蒸汽通过涡轮机，涡轮机转动发电机发电。（5）在燃料棒中冷凝器，蒸汽冷却回水中，然后可以再次使用。 在一些核电厂，多余的热量会从冷却塔中释放出来。 EPA（公共领域）的图片和标题（修改）。

    核反应堆主要有两种类型：压水反应堆和沸水反应堆。

    压水反应堆

    在压水反应堆中，有三股独立的水流：与反应堆核心接触的水、产生蒸汽的水和冷却水（图\(\PageIndex{e}\)）。 反应堆核心浸入水中，水由钢制容器保存。 它被一个收容结构所包围。 当核裂变反应加热周围的水时，水会被循环地抽出。 它将热量传递到第二股水流，该水流位于单独的容器中。 第二条水流保持在较低的压力下，使水沸腾并产生蒸汽。蒸汽使涡轮机转动，发电。 然后，蒸汽在冷凝器中通过单独的冷却水流冷却。 由于来自反应堆芯的水不会与反应堆的其他部分混合，因此并非所有反应堆都具有放射性。

    压水反应堆包含一个反应堆核心、三股水流、一个涡轮机、一个发电机和一个冷凝器
    图\(\PageIndex{e}\)：压水反应堆中有三股独立的水流。 第一流与反应堆压力容器中的反应堆芯相关联。 第二流与蒸汽发生器相关联。 第三流来自外部来源，用于冷凝蒸汽。 反应堆压力容器包含控制棒和燃料棒（未贴标签）。 压力罐调节水压。 来自反应堆的热水转移到蒸汽发生器，在那里它加热第二流中的水以产生蒸汽。 来自蒸汽发生器的蒸汽通过蒸汽管线移动并转动涡轮机，为发电机提供动力。 蒸汽在冷凝器中冷却，然后冷却后的水被泵回蒸汽发生器中。 反应堆压力容器、压力罐和蒸汽发生器都在密封结构中。 来自外部来源的水用于冷却冷凝器中的蒸汽。 来自外部来源的水在锥形冷却塔中冷却。 图片由核能办公室/美国能源部（公共领域）提供。

    沸水反应堆

    在沸水反应堆中，有两个独立的水流：与反应堆核心接触的水和冷却水（图\(\PageIndex{f}\)）。 反应堆芯对浸入其中的水进行加热。 这些水由一艘钢船储存，该船周围环绕着密封结构。 反应堆核心加热水时产生的蒸汽转化为涡轮机，涡轮机发电。 然后，蒸汽在冷凝器中通过单独的冷却水流冷却。 因为来自反应堆芯的水会与反应堆的所有部分接触，所以整个物质都是放射性的。

    沸水反应堆包含一个反应堆核心、两条水流、一个涡轮机、一个发电机和一个冷凝器
    图\(\PageIndex{f}\)：沸水反应堆有两股水流。 在第一流中，将反应堆芯浸泡在反应堆压力容器中，然后转化为蒸汽并转动涡轮机的相同水。 第三流来自外部来源，用于冷凝蒸汽。 反应堆压力容器包含控制棒和燃料棒（未贴标签）。 它位于一个更大的收容结构内。 当水被反应器加热时，它会蒸发成蒸汽。 它穿过蒸汽管线并转动涡轮机，为发电机提供动力。 蒸汽在冷凝器中冷却，然后冷却后的水被泵回反应堆压力容器中。 来自外部来源的水用于冷却冷凝器中的蒸汽。 来自外部来源的水在锥形冷却塔中冷却。 图片由核能办公室/美国能源部（公共领域）提供。

    归因

    由 Melissa Ha 从以下来源修改：

    This page titled 17.2: 利用核能发电 is shared under a CC BY-NC 4.0 license and was authored, remixed, and/or curated by Melissa Ha and Rachel Schleiger (ASCCC Open Educational Resources Initiative) .