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核燃料棒的知识

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2017-11-15 08:33来源:瀚海狼山作者:


在有关核武器、核能、甚至是核事故的新闻和资料中,核燃料棒是一个非常常见的名词。核燃料棒是什么?是一根真正的棒子吗?核燃料棒是如何发出核能的?现在笔者就来粗略解释一番。


在说核燃料棒以前,我们先说说天然铀矿。因为天然铀矿是所有核武器工业和核能工业的基础矿藏。




天然铀矿中的铀,是以固体化合物的形式,储存在地球地壳中,地球内部的深处也有铀,但人类目前的技术,只能利用地表以下3000米以内的浅地壳内的天然铀。天然铀在地壳中的含量极低,不到百万分之2.5,比所谓珍贵的金矿的含量还低几个数量级。因此天然铀矿非常珍贵和罕见。世界上天然铀矿储量最大的国家是澳大利亚,其次是加拿大和哈萨克斯坦,中国的天然铀矿储量相对国土面积属于比较贫乏;当然,美国国土内的天然铀矿储量也不高,中美的核电站,未来都需要进口部分铀矿石。


天然铀矿结晶,一般呈现灰绿色或者黄绿色,其中主要可利用的成分是铀235,天然铀的铀235富集度为0.714%,其他99%,是不能再裂变利用的铀238,这就是经常被提到的贫铀,贫铀可以用来做弹芯和贫铀装甲,但贫铀不可能百分百的被提纯,里面仍然混杂含量为千分之几的铀235,仍然具有放射性,因此利用贫铀的风险较大。




这里必须说明,天然铀矿和铀矿石都具有放射性,但这种天然的放射性,并不是特别严重。大型天然铀矿周边,仍然会正常的生长动植物和有人类生存,并不会因为某地出产天然铀矿,而导致这个矿周边几十里寸草不生。只有通过专用的放射性检查仪器,才能发现铀矿床附近的放射指标,高于没有放射性矿物的地区。


有铀矿床的地区,放射指标只会比普通地区高一到两倍,对常年居住在此的人类的影响非常有限。只是一些和放射性有关联的疾病,略微比其他地区高。比如,假设正常地区的出现白血病患者的概率是每十万人3例。那么铀矿附近居民的患病概率是每十万人4例左右。


因为天然铀矿的放射性较低,开采和提炼过程,对直接接触铀矿石的矿工影响也有限,只需正常穿戴工作服和口罩,就可以起到较好的防护作用。


新中国刚刚成立的五十年代,在全国大规模普查天然铀矿,曾经在广西某地最早发现了天然铀矿的原石,这块矿石被称为中国核工业的开业之石。并且这块石头,被迅速送到北京怀仁堂,给包括毛主席、周总理在内的最高层现场观看。这个故事也说明天然铀矿放射性很低,对人类是基本安全的。


天然铀矿石之所以相对安全,在于天然铀(有多种同位素)的半衰期是以7亿到几十亿年来计算。天然铀在地球形成后就开始衰变,到现在放射性已经很低。天然铀主要对外偶然性地释放阿尔法射线,这种射线其实就是氢原子的质子核。只需一张A4纸,就可以挡住阿尔法射线。而人的衣服和皮肤都完全可以隔绝阿尔法射线。不会对人体内部组织造成影响。


天然铀矿被开采出来以后,初加工多采用水冶法提炼。通俗的讲,就是加入其他配料水煮,加工后得到的产品一般是重铀酸铵,呈现黄色块状或者粉末状,俗称黄饼。黄饼的放射性仍然较低,加工工人仍然只需穿戴防护级别较低的工作服。


黄饼提纯后,再被送到专门的铀浓缩工厂,加工成六氟化铀,采用气体离心机提高纯度。当铀浓度被提高到4%左右,再把这种铀混合物粉末,烧结成的二氧化铀陶瓷芯块(相当于把陶土烧成陶瓷)。铀瓷芯块为直径1厘米,高度1厘米的圆柱体。几百个芯块叠在一起装入直径1厘米,长度约4米,厚度为1毫米左右的细长锆合金材料套管内,最终制成一根可以进入反应堆进行核燃烧的燃料棒。




加工后的二氧化铀陶瓷块的放射性仍然不高,甚至还可以被加工工人用手直接拿起了。


打个通俗的比喻:若我们把二氧化铀燃料块,看做一块还没有放进炉子里燃烧的煤块,那么这种煤块,即不烫手也不会烫人——即辐射性仍然较低。但一旦把这些煤块放进核炉子里(即反应堆)中点燃,被烧的通红,那么他们就非常危险了,绝对不能再直接无防护接近。因为辐射性被点燃了,而且核反应后的燃料棒里,将产生非常多的具有极强放射性的新元素,比如镭、钚、钴等等!切尔诺贝利和日本福岛的核事故之所以致命,就是因为他们都是在大批核燃料棒被烧的通红,放射性最强的时刻,被炸的到处都是!


即使把取出的乏燃料棒冷却几年,仍然具有很强的放射性——等于这些特殊的煤块,一旦被点燃,是很难自然熄灭的。这么理解,就比较容易。


反应堆中的核燃料棒,是先几十根集中在一起,放入一个长方框框架束缚起来,再把多个方框排列好,依次放入反应堆的核心。可以理解成把多根柴捆绑成一捆柴,然后再把157或者177捆柴火,一起竖着放进炉膛里燃烧


这些燃料棒群中间,还穿插插入石墨减速棒群。石墨可以吸收中子,根据插入的深浅,决定核反应的核反应功率——若石墨棒全部升起(抽出),则反应堆进入全功率核反应,但由于铀浓度很低,也不到临界体积,并不会引发原子弹式的核爆炸。




若把石墨棒群完全插入燃料棒群之间,则反应堆会很快停止链式反应,这就是停堆。


停堆又分为紧急停堆和换料停堆。紧急停堆是由于自然灾害或者事故发生;而换料是正常停堆。停堆后,打开反应堆核心容器的上盖,再用反应堆上方的吊车,将燃料棒方框一块块抽出、吊起来,再移入冷却水池冷却,然后给堆芯装入全新的燃料棒方框。民用核电站的每个反应堆,一两年内就要全面更换新的燃料棒。





我们都知道,点煤炉子要用引火柴。核反应堆同样需要最初的点燃棒,这就是采用一根或者几根铀浓度达到10—20%的特殊燃料棒,插入低浓度的燃料棒中间,点燃其他燃料棒。其原理是,利用高浓度燃料棒产生的频率更高的中子辐射,来引发其他燃料棒的链式反应,很像点煤炉子用木柴引燃。

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