核反應堆冷卻劑

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核反應堆冷卻劑
冷卻劑 熔點 沸點
在154巴的重水 345 °C
鈉鉀合金(NaK) -11 °C 785 °C
97.72 °C 883 °C
FLiNaK 454 °C 1570 °C
氟鋰鈹(FLiBe) 459 °C 1430 °C
327.46 °C 1749 °C
鉛鉍合金 123.5 °C 1670 °C

核反應堆冷卻劑是把熱從反應堆堆芯轉移至發電機自然環境冷卻劑。核電廠通常使用由兩個冷卻劑迴路組成的糸統,因為主冷卻劑迴路帶有來自反應堆的短期放射性

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目前大部分運行的核電廠採用輕水堆,使用在高壓下的普通水作為冷卻劑和中子慢化劑。三分之一的核電廠採用沸水堆,冷卻劑在反應堆內經歷相變,從液態水轉換成蒸汽。三分之二的核電廠採用壓水堆,水在高壓下並不會沸騰。目前運行的核電廠維持在臨界點下(大約374°C,218巴),氣體與液體的差異會消失,會限制它的熱效率。但提倡的超臨界水反應爐將在這一點之上運行。 重水堆使用重水(一氧化二氘,氫的同位素),它和普通水的性質完全相同,但中子捕獲更少,從而可以進行更徹底的慢化。

缺點[编辑]

泄漏[编辑]

在冷卻水中的氫原子被中子轟擊,有些吸收中子,成為氘,有些成為具放射性的氚。被氚所污染的水有時會因意外或官方批准下泄漏或排放至地下水。[1]

停電期間的氫氣爆炸[编辑]

燃料棒產生高溫使水沸騰,轉換為蒸汽。災難期間停電時,可產生電力為水泵提供應急電源的柴油發電機被海嘯或地震所損壞,如果沒有新的水被泵進燃料棒,燃料棒會持續升溫。一但燃料棒的溫度達到1200°C,包裹核燃料的鋯管與水蒸氣發生化學反應,氫氣從水中分離出來。氫氣可從反應堆和壓力槽中不斷釋出。如果氫氣持續累積,濃度達到4%或更多時,氫氣便可以爆炸,氫氣爆炸發生在福島第一核電站第1,3,4號反應堆2號反應堆打開了排氣口,把放射性氫氣排出,減低氫氣的壓力,但放射性氫氣污染了環境,因此2號反應堆並沒有發生氫氣爆炸。[2]

硼酸水[编辑]

壓水堆日常運行期間,硼酸水被用作冷卻劑,亦在沸水堆和壓水堆的緊急爐心冷卻系統中被充當冷卻劑。[3][4][5]

優點[编辑]

硼,通常以硼酸或硼酸鈉的形式,與水結合,一種便宜、豐富的資源,作為冷卻劑把熱從反應堆堆芯帶走並移至第二冷卻迴路。[6]蒸汽產生器是第二冷卻迴路的一部分,用於產生蒸汽,推動渦輪機並發電。硼酸水有額外的優點,它是一種中子毒物,有着大的中子吸收截面,吸收過量的中子以控制核分裂的反應速率。因此,反應堆的反應性可由調整冷卻劑中硼的濃度來進行控制,藉把更多的硼酸溶在冷卻劑中,硼的濃度提升,反應堆的反應性下降。相反地,通過添加更多的水,硼的濃度下降,反應堆的反應性上降。[7]

缺點[编辑]

壓水堆冷卻劑中大約90%的氚是由硼-10與中子反應產生的。基於氚是氫的放射性同位素,帶有放射性,冷卻劑被放射性同位素所污染,必須要防止其洩漏到環境中。此外,對於更長的核反應堆運行週期,必須考慮這種影響,因此要求冷卻劑中硼的初始濃度較高。[7]

熔融金屬[编辑]

快堆有着高的能量密度,不需要且要避免中子慢化。大部分的液態金屬快堆採用熔化的鈉。鉛,鉛鉍合金與其他金屬也被提倡或偶爾使用。在第一座快中子反應堆使用了

融鹽[编辑]

融鹽與金屬具有即使在高溫下也具有低蒸氣壓的優點,並且化學反應性低於。鹽包含一些輕的元素,如氟鋰鈹(FLiBe)也能提供慢化的功能。在融鹽反應堆實驗中,它甚至充當了攜帶核燃料的溶劑。

氣體[编辑]

氣體也可以作為冷卻劑。在化學性質和核反應上極其惰性,但是它的比熱容十分低,攜帶能量的效率較低。

碳氫化合物[编辑]

有機核反應堆是研究的早期概念,使用碳氫化合物作為冷卻劑。但尚未成功。

參考文獻[编辑]

  1. ^ Plant Sites with Licensed Radioactive Material in Groundwater. NRC Web. [2022-02-04]. (原始内容存档于2021-06-12). 
  2. ^ Biello, David. Partial Meltdowns Led to Hydrogen Explosions at Fukushima Nuclear Power Plant. Scientific American. [2022-02-04]. (原始内容存档于2022-04-12) (英语). 
  3. ^ Pressurized Water Reactor Systems (PDF). USNRC Technical Training Center. [March 12, 2019]. (原始内容 (PDF)存档于2022-02-16). 
  4. ^ Aaltonen1, Hanninen2, P.1, H.2. Water Chemistry and Behavior of Materials in PWRs and BWRs (PDF). VTT Manufacturing Technology. [March 12, 2019]. (原始内容 (PDF)存档于2021-08-14). 
  5. ^ Buongiorno, Jacopo. Nuclear Safety (PDF). MIT OpenCourseWare. [March 12, 2019]. (原始内容 (PDF)存档于2020-11-12). 
  6. ^ Borated Water (PDF). Columbus Chemical Industries. [March 12, 2019]. (原始内容 (PDF)存档于2021-08-14). 
  7. ^ 7.0 7.1 Monterrosa, Anthony. Boron Use and Control in PWRs and FHRs (PDF). Department of Nuclear Engineering, University of California, Berkeley. May 5, 2012 [March 12, 2019]. (原始内容 (PDF)存档于2022-02-04). 

外部鏈接[编辑]