魏焱明
核电站中子年产量约1kg,核废水摊几何?
2021-4-22 11:46
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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23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。

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*109kwh = 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:1016J/kg;

         年发电量折算成热机的输入热量 = 1.7*109/33% = 5.1*109kwh/year = 5.1*109*3.6*10= 1.84*1016J/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%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,有兴趣的人不妨算算核废水的情况,以及倾倒海域稀释后的浓度。

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。

本文旨在科普,冀望人人心中有数,遇事不慌。


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