核反應爐分類(Classification of nuclear reactors)

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核反應爐分類(Classification of nuclear reactors)
大葉大學機械與自動化工程學系吳佩學副教授/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題:

1. 比較常見的核反應爐是哪些?為什麼?

核反應爐有許多種不同的分類方法。

1. 按照核反應的類別
(1) 核裂變(Nuclear fission):使用鈾和鈾的產品鈽作為燃料。其中又可分為:

  • 使用熱中子(thermal neutrons)的熱反應爐(thermal reactors) :幾乎所有的反應爐都是這個類型。使用控制中子反應速率的中子慢化劑(neutron moderator)。而慢化劑往往也是冷卻劑(coolant),通常是水(重水或輕水)。
  • 快中子反應爐(Fast neutron reactors), 快中子增殖反應爐/快滋生反應器(Fast breeder reactor)。使用快中子來引發燃料的核裂變。利用快中子被可孕材料(如鈾-235、鈽-239)吸收而變成可裂材料(鈾-238),而產生自行製造核燃料的效果,製造燃料多於消耗燃料的,就稱為快滋生反應器。目前使用並不普遍,可見於早期蘇聯的海軍動力設備。

(2) 核融合 (Nuclear fusion):使用氫氣作為燃料。目前還在實驗階段。

2. 按照反應爐慢化劑 (neutron moderator)和冷卻劑 (coolant)不同:
(l) 水作為慢化劑 (Water moderated reactors ):

(i) 輕水型反應爐(輕水堆) (Light water moderated reactors, LWRs) :使用相對分子質量為18的輕水(就是普通水)作為慢化劑和冷卻劑。當運作時,溫度上升,水的密度變低,穿過水的中子裡面可以充分減速來引發核裂變的數目減少,核反應的速率就降低。這種負面回饋(negative feedback)(指溫度升高反而讓反應速率變慢,有抑制溫度繼續提高的效果),可以讓核反應穩定下來。輕水型反應爐主要有兩種形式:

  • 沸水反應爐(boiling water reactor, BWR):
    沸水反應爐以去離子水作為冷卻劑(coolant)和中子減速劑。反應爐爐心進行的核分裂會產生熱能,使得已冷卻的水沸騰,變為高壓蒸汽,從而驅動渦輪機,然後通過發電機轉換為電能。離開渦輪機的蒸汽,經過冷凝器凝結為液態水(給水)後,迴流至反應爐爐心,完成一個循環。在爐心裡,已冷卻的水保持在75個大氣壓,這會促使它在285℃左右沸騰。

對照之下,在壓水反應爐爐心內,由於維持高壓強(大約158 個大氣壓),不會出現大量的沸騰。但沸水反應爐構造簡單,且大大降低了反應爐的工作壓力和爐心溫度,因此顯著提高了反應爐的安全性,   降低了造價。但由於沸水堆的循環系統直接連接了爐心和渦輪機,因此可能造成渦輪機受到放射性污染,給設計和維修帶來麻煩。

沸水反應爐是第二常見的核能發電反應爐型式,在五十年代中期由愛德荷國家實驗室(Idaho National Laboratory)與通用電氣公司共同研發成功。現在主要製造廠商是專門設計與建造這類反應爐的奇異日
立核能(GE Hitachi Nuclear Energy)。

圖1:沸水反應爐 (boiling water reactor, BWR) 基本構造。((圖片出處:http://en.wikipedia.org/wiki/Boiling_water_reactor))

1. 反應爐壓力槽。2.核燃料棒。3. 控制棒。4. 循環泵。5. 控制棒電動機。6. 蒸汽。
7. 飼水。8. 高壓渦輪機。9. 低壓渦輪機。10. 發電機。11. 激磁機。12. 冷凝器。
13. 冷卻劑。14. 預熱器。15. 給水泵。16. 冷水泵。17. 混凝土圍阻體。18. 連接至電網。

  • 壓水反應爐(Pressurized Water Reactor, PWR):
    壓水反應爐利用輕水(普通水)作為冷卻劑和中子慢化劑。其冷卻系統由兩個循環迴路組成。一迴路連接著爐心和二迴路中的蒸汽發生器,迴路內壓強保持在150個大氣壓左右,在此壓強下可將冷卻水加熱至約343℃而不沸騰。冷卻水在二迴路蒸汽發生器的傳熱管中將壓強約為70個大氣壓左右的二迴路水加熱至沸騰(溫度約260℃),形成的水蒸氣(過濾掉混雜的液態水後)再通過二迴路送至汽輪機,推動渦輪發動機運轉。在傳熱管中釋放了熱能的一迴路水以290℃左右的溫度迴流至爐心,完成一迴路循環。從汽輪機流出的二迴路水經冷凝器凝結為液態水後,迴流至蒸汽發生器,完成二迴路循環。

目前全世界核電廠、核潛艇和核動力航空母艦等使用的反應爐中均以壓水堆為主,截至2000年底,全世界有258座運行中的反應爐,佔總數的64.6%。

圖2:壓水反應爐 (Pressurized Water Reactor, PWR) (圖片來源:《核能發電概述》)

(ii) 重水反應爐簡稱「重水堆」(Heavy Water Reactors, HWP)重水堆可按結構分為壓力容器式和壓力管式兩類。兩者都使用重水(化學式為D2O)做慢化劑,但前者只能用重水做冷卻劑,後者卻可用重水、輕水、氣體等物質做冷卻劑。

重水反應爐可用低濃縮鈾甚至未濃縮鈾作為核燃料,所以建立基於這類反應爐的核電廠會增加核擴散的風險:當某個國家掌握重水反應爐技術後,其只需天然鈾就可以運行核電廠,並通過核反應產生可用於製造核武器的危險放射性副產物,因此,這些國家便可繞過國際機構對濃縮鈾的監管而發展核武器。

(2) 石墨慢化反應爐(簡稱石墨反應爐或石墨堆)(Graphite moderated reactor):是一類利用核石墨作為中子慢化劑的核反應爐。石墨慢化反應爐技術已被用於商業發電。1986年車諾比核電廠事故出事的反應爐就是屬於石墨慢化反應爐。

(3) 輕元素慢化反應爐(Light element moderated reactors):使用鋰(lithium) 或鈹(beryllium.)作為慢化劑。

(4) 有機Organically moderated reactors (OMR): 使用聯苯( biphenyl, 化學式:C12H10 ) 和三联苯 (terphenyl) 來作為慢化劑和冷卻劑。

圖3:台灣核電廠(第一,二,四廠)裡面的沸水反應爐剖面圖。核四廠使用的是目前最新的沸水反應爐技術──進階沸水反應爐 (Advanced boiling water reactor, ABWR)。 (圖片來源:《核能發電概述》)

參考資料:
1. 原子能委員會核能管制處: 《核能發電概述》(http://www.aec.gov.tw/www/service/other/files/book_19.pdf
2. 英文維基百科:Nuclear reactor technology (http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_reactor
3. 中文維基百科:核反應爐 (http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B8%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%A0%86

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