不必急于冲核电站竖中指,等中子通量及下落明了再看

2021-04-23 23:54

副标题:核电站中子年产量约1kg,核废水摊几何?

核电站靠铀235同位素的巨大裂变热量,把热机的工质水烧开,过热至高压蒸汽,推动汽轮机发电。

核燃料U235原子核被一个慢速中子碰瓷破裂,蹦出两个小原子核碎片,外加2至3个热中子。

具体的碎态有60多种花样,任一碎态的平均产热250MeV以上,平均生产中子2.5个,也即每生产一个新中子,可以产热100MeV。

中子无电荷,可在燃料棒内外横冲直闯。因为:假设把一个原子放大到足球场那么大,位居中心的原子核也就足球那么大,按比例放大后的中子则比乒乓球大一些。核外是空旷的电子云空间,相当于隶属原子核心的中央警备团巡逻地盘。然而这道电子云屏障,对中子来说,形同虚设。

放荡不羁的中子轻易可溜出燃料棒,跑进被加热的水中,很难再游回燃料棒。最后要么与水分子中的氢原子核擦出火花,熔合为氢的同位素氘,要么与先前生成的氘再熔合为氚。

唯有这个氚是个不稳定的同位素,随时会衰变成氦的同位素He3,并射出18KeV以下动能强劲的电子。大约12年后,有一半的氚会变成氦。水分子H2O可能因此突然丢失一个氢原子,变成自由基HO;若含2个氚原子的水分子,都变氦了,剩下的氧原子,反而有益健康。

其实,很多先富起来的人,早就与氚打上了交道:名贵手表通常都有夜光功能,指针、时标上都有含氚的荧光粉。只是科普不到位,消费者也许不知情。

另一方面,棒内逸出一个中子,就少一个触发裂变的“拨火棍”份子。假设极端情况:新生中子都没在燃料棒内撞破任何核,就急匆匆跑出棒外,此时的燃料棒将会熄火。实际上,合理设计的燃料棒,U235浓度的商用保障,可使大多数中子,能在棒内干几次爆破的正经事后再逸出。这叫可持续链式核裂变反应。

习题:试算秦山核电站每年的中子产量。

已知:

满负荷额定发电功率300MW(采用设备铭牌);

热机效率33%(合理假定值);

1MeV = 1.7*10^-13J;

中子质量1.7*10^-27kg;

100MeV/每中子诱发裂变产热;

求解:

年理论极限发电量 = 365*24*300000 = 2.9*10^9kwh = 29亿度电。

年预期发电量 = 年极限发电量 * 负荷占空比 = 29 * 0.6 = 17.4亿度电。这里采用0.6作为负荷占空比,是本人的经验值,充分考虑了厂矿企业晚上以及节假日不开工,且设备每年都需例行的保养检修工时。

年实际发电量 = 17亿度电。此数摘自该核电厂的营销业绩年报。对比预期值,说明占空比系数还算靠谱。

折合每公斤中子的产热:10^16J/kg;

年发电量折算成热机的输入热量 = 1.7*10^9/33% = 5.1*10^9kwh/year = 5.1*10^9*3.6*10^6 = 1.84*10^16J/year

所以,中子的年产量 = 1.84公斤。

中子密度极高,吃饭用的一小勺中子,比喜马拉雅山还重!

跑到水里搞搞震,只是中子的出路之一,还有较大一部分比例,被燃料棒的主体基础原子U238吸收,变成中间产物U239,约莫23分钟后,衰变为Np,再2.4天后变为钚 – 核武器氢弹聚变点火的高级燃料。

为了控制昼夜/节日负荷的峰谷波动,需要火力调控。一般用镉材料制成的中子吸收棒,控制插入堆芯的深度。插的越深,吸收中子越多,核火力越小,反之,加大火力。这是中子的另一显著归属。

裂变生成物繁多,加上容器,结构件等等,涉及到的杂七杂八的原子,都有可能与中子啪啪啪打野炮。中子在这方向的出路,可能份额不大。

自由中子的寿命约15分钟,如果在短期内没有发生融入其它核的事件,最后的出路就是衰变为氢原子,之后2个氢原子结合成易燃易爆的氢气 。

弄清裂变中子最终去向很有现实意义。

据说10年前的日本福岛核事故,不至于弄得像现在这样不可收拾,如果当时事故突发处理人员正确估计中子的下落的话。

正因为凭想象高估了中子变成氢气的份额,而导致处理人员有害怕引起氢气爆炸的危险,错失使用正确手段的时机,如应急电焊补漏等。

核电站纯中子年产量也就公斤级别,就算100%经beta衰变成氢,弥漫至反应堆附近空间中的氢气浓度也很低,根本无需担心氢闪爆。

至于1kg中子年产量造就的核废水,待中子下落各方向百分比准确掌握后,可得到置信度较高的数据。

没有这个准确百分比,可按最坏的情况:全部被核废水吸收,有兴趣的学术控们,不妨算算核废水的情况、倾倒海域稀释后的浓度、匡算人体摄入氚的年剂量,甚至对比折算相当于拍了多少张医学X光片(X射线能量约100KeV)的辐射量。

学术界值得深入研究核裂变中子去向比例分布。同仁若有详实的相关研究论文,也欢迎推荐、共享。

文科生们不必计算,就知道任何东西对大海而言,都是沧海一粟,只不过他们更在意到底是哪款的一粟:若是游轮海上倒掉几十吨臭大粪,尽可哈哈一笑;换作含半斤氚元素的核废水,则必口诛笔伐。

在追求公义的世界,可以自由冲核电站竖中指,但且等科学家们搞清楚了中子通量及下落明了再看。如果推翻了我这里的妄算,定虚心学习,并加入中指行列。

本文旨在科普。心中有数,遇事不慌;独立思考,不人云亦云。


版权声明:多维客是一个汇聚各方言论的平台,以实时上载用户内容的方式运作。本网并无义务事先对用户内容事先加以审查或筛选,对所有用户内容的真实性、完整性及立场等各方面,不负任何法律责任。本网的服务条款不允许用户未经授权上载涉及他人知识产权(包括版权和商标)的内容。如果您认为有人未经授权使用您的版权内容,请联络我们(copyright@dwnews.com)提出版权下架请求并提供相关背景资料。
Copyright Statement: Dwnews Blog is a platform that gathers the opinions of all parties and allows users to upload users’ content in real time. This website is not obliged to review or screen users’ content in advance, and assumes no legal responsibility for the authenticity, completeness and opinion of all users’ content. Our Terms of Service do not allow users to upload someone else's intellectual property material without authorisation, including copyright and trademark. If you believe someone is infringing your copyright, you can report it to us (copyright@dwnews.com) and submit a copyright removal request by providing the relevant background information.

时事

紧跟时事热点,解读国内重要政策、分析社会舆情、网罗国际热点事件、天灾人祸、地缘政治以及大国博弈等。

推荐阅读