核電站的原理就是燒水麼? | 知乎問答精選

 

A-A+

核電站的原理就是燒水麼?

2016年12月30日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 175 ℃ 次

【王天宸的回答(388票)】:

簡單粗暴地回答一下:

就是燒水。

題主補充的兩(san)個問題:

1.高

這個燒水不是在家裡燒開水喝。電站所使用的蒸汽輪機,與大眾瞭解的蒸汽機相比,效率高了太多。現代火電站經過百年發展,生產的各個環節幾乎搾乾了所有能利用的熱量。 核電的效率相對火電要低一些。同樣是燒水,核電的蒸汽溫度比火電低很多,這直接導致了現在商業化運行的核電效率低於火電。原因一是核電自身的技術問題,核燃料芯塊的鋯合金包殼與水的相容溫度不允許超過350°C,二是為了安全考慮,較低的蒸汽溫度能提高安全性;由於核電事故的特殊性,在現有的技術條件下,沒人敢提高核電站的蒸氣參數(這裡核電指壓水堆)。火電炸個鍋爐電視上報一次就完事了,過幾天大家都忘了,沒死人可能連電視都上不了;核電的反應堆要是炸了,幾千公里以外的超市的鹽都能被搶光,呵呵呵。

2.有

目前的磁流體發電技術就可以實現熱能與電能的直接轉換。

PS:紅警2里蘇聯的電廠就叫磁能發電廠,用的是不是就是這種技術呢←_←

3.不高

而且技術還非常複雜,所以現在還處於試驗階段。

如果磁流體發電效率又高,經濟性指標又好,沒有不用的道理。

不過磁流體發電的效率還有很大的提升空間,各方面的研究都在進行中,這東西我沒學過,不敢把話說太死。

:鑒於評論區部分知友指出四代堆的問題。鑒於目前本答案點贊數持續增加,為了避免誤導不明真相的群眾,在這裡做一下說明。

以液態鈉冷卻快堆為例,這裡核反應堆直接加熱的不是水而是液態鈉,而液態鈉吸收來自反應堆的熱量後再將熱量通過蒸汽發生器傳導給汽水系統。所以像快堆這種情況,可以說算「燒水」,也可以說不算「燒水」。不管怎樣,最後核反應堆的能量還是要提供給水蒸氣進汽輪機做功。

液態鈉冷卻快堆液態鈉冷卻快堆

高溫氣冷堆高溫氣冷堆

話說題主也不必太過自責,作為一名愛好科學的優(zhong)秀(er)少年,當我第一次聽說核電這麼高大上的東西,其實也是燒開水的時候,不禁對人類未來的發展前景產生了森森的憂慮。不過放心,從長(ke)遠(huan)的角度來看,人類早晚有一天會拋棄燒開水這種原始的手段,邁入無工質的新時代。

畢竟,我們的征途是星辰大海嘛。

-------------------------------------5.27更新 分割線--------------------------------------

以下為吐槽時間:

這個是普通民眾心中的蒸汽機原理圖:

他們見到的蒸汽機實物一般是這樣的:

鍋爐就是這樣的:

但是火電廠的蒸汽輪機(的低壓缸)其實是這樣的(對,這只是汽輪機的一部分):

原理圖是這樣的:

和這樣的:和這樣的:

還有這樣的:還有這樣的:

普通民眾對火電站工作流程的認識(手繪,畫風高能請注意):普通民眾對火電站工作流程的認識(手繪,畫風高能請注意):

但是實際上火電廠的流程是這樣的:但是實際上火電廠的流程是這樣的:

中間偏右的鍋爐與左下角的汽輪機之間有很多根管子,這是因為從鍋爐燒熱的蒸汽進入汽輪機做完功不是直接變成水了啊。我們會把他們送進鍋爐再燒一燒再回汽輪機做點功,然後再送進鍋爐再燒一燒再回汽輪機做點功…這麼一來一回,能用的熱量基本都搾乾了。中間偏右的鍋爐與左下角的汽輪機之間有很多根管子,這是因為從鍋爐燒熱的蒸汽進入汽輪機做完功不是直接變成水了啊。我們會把他們送進鍋爐再燒一燒再回汽輪機做點功,然後再送進鍋爐再燒一燒再回汽輪機做點功…這麼一來一回,能用的熱量基本都搾乾了。

當然這還只是汽水系統的一小部分東西,鍋爐的磨煤、送煤、燃燒,煙氣的處理,泵與風機,處處都有學問。

大概就說這麼多吧,由於專業的關係,跑題跑到火電了,核電這方面,懂的不是很多就不說了。

5.31更新

點讚這麼多,再補一張手繪, 部分人士 對核電站的認識:

【週一周的回答(73票)】:

作為一名核電站運行,我來回答吧。先說簡單答案,核電站原理其中的一步是「燒水」。下面詳細回答,普及一下核電站的原理吧。希望有耐心讀完。

燒水本質上是能量轉化,其他能量轉化成了水的熱能。而核電站「燒水」用的是核能,在反應堆裡進行,這一步比火電站用鍋爐「燒水」複雜很多,因為涉及到核裂變反應。

眾所周知,火力發電廠利用煤、石油或天然氣發電,水力發電站利用水力發電,而核電站則是利用原子核的裂變能發電。目前世界上的核電站 60%以上都是壓水堆核電站,其主要由反應堆、蒸汽發生器、汽輪機、發電機及有關係統設備組成。其工作原理流程如圖 1.1所示。

在核電站中,反應堆的作用是進行核裂變,將核能轉化為水的熱能。水作為冷卻劑在反應堆中吸收核裂變產生的熱能,成為高溫高壓的水(註:這就是「燒水」,只是用核反應的能量在反應堆裡燒水,這一步比火電站用鍋爐「燒水」複雜很多)。然後沿管道進入蒸汽發生器的 U 型管內,將熱量傳給 U 型管外側的汽輪機工質(水),使其變為飽和蒸汽。

被冷卻後的冷卻劑再由主泵打回到反應堆內重新加熱,如此循環往復,形成一個封閉的吸熱和放熱的循環過程,這個循環回路稱為一回路,也稱核蒸汽供應系統。一回路的壓力由穩壓器控制。由於一回路的主要設備是核反應堆,通常把一回路及其輔助系統和廠房統稱為核島(NI)

汽輪機工質(水)在蒸汽發生器中被加熱成蒸汽後進入汽輪機膨脹作功, 將蒸汽焓降放出的熱能轉變為汽輪機轉子旋轉的機械能。汽輪機轉子與發電機轉子兩軸剛性相連,因此汽輪機直接帶動發電機發電,把機械能轉換為電能

作完功後的蒸汽(乏汽)被排入冷凝器,由循環冷卻水(如海水)進行冷卻,凝結成水,然後由凝結水泵送入加熱器預加熱,再由給水泵將其輸入蒸汽發生器,從而完成了汽輪機工質的封閉循環,我們稱此回路為二回路。二回路系統與常規火電廠蒸汽動力回路大致相同,故把它及其輔助系統和廠房統稱為常規島(CI)

綜上所述,壓水堆核電站將核能轉變為電能是分四步,如圖 1.2 所示,在四個主要設備中實現的:

(1) (1) 反應堆——將核能轉變為水的熱能;(註:「燒水」

(2) 蒸汽發生器——將一回路高溫高壓水中的熱量傳遞給二回路的水,使其變成飽和蒸汽;

(3) 汽輪機——將飽和蒸汽的熱能轉變為汽輪機轉子高速旋轉的機械能;

(4) 發電機——將汽輪機傳來的機械能轉變為電能。

即,核能發電包括核能→熱能→機械能→電能的能量轉換全過程。其中後兩種能量轉換過程與常規火力發電廠內的工藝過程基本相同,只是在設備的技術參數上略有不同。核反應堆從功能上相當於火電廠的鍋爐系統(火電站用鍋爐「燒水」)。但由於它是強放射源,流經反應堆的冷卻劑帶有一定的放射性,一般不宜直接送入汽輪機,所以壓水堆核電站比普通電廠多了一套動力回路。

擴展:

目前的水電站,風電站,火電站,核電站等最後都是把機械能→電能。但前面步驟的能量轉化是不同的。

水電是水的勢能→水輪機的機械能→帶動發電機產生電能。

風電是風的動能→風車的機械能→帶動發電機產生電能。

火電是燃料的化學能→水的熱能→汽輪機的機械能→帶動發電機產生電能。

核電是核反應的能量→水的熱能→汽輪機的機械能→帶動發電機產生電能。

其中,核電站和火電站前面的步驟簡單說都是「燒水」,只是原料不同而已啦。一個是核燃料,一個是煤等化石燃料。但由於涉及核裂變反應,導致核電站比火電站複雜。

嗯,反應堆就在中間那兩個大圓柱子裡。圖片來自百度。

【孔振華的回答(7票)】:

1:確實是燒水---準確點說是燒水後用蒸汽輪機發電。

2:燒水的效率不算太高(當然也不低,一般都有30%-40%),例如說內燃機、燃氣輪機的理想工況下效率都應該比它高(內燃機大約40%+,燃氣輪機應該更高一些)。

3:有。一般還有兩種:

3.1:利用半導體的熱電效應。但是這種方式的輸出功率非常低,一般不用於核裂變發電,而只用於放射性元素/同位素的自發衰變,所謂的核電池大部分都是這個原理。

3.2:利用熱電偶轉換。這種方式相對輸出功率比較高,一些衛星上的大功率核反應堆用的就是這種方式。

4:核電池的實際能量轉換效率非常低,大約不到1%。熱電偶可能會好一點,但是個人認為不應該比燒水高。

5:最後一句話:燒水(蒸汽輪機)發電,先別管效率如何,它是在這個功率級別(數百兆瓦)下的唯一選擇

ps:感謝 @柴宗堂 的提醒,在數百兆瓦功率下,水電是另一種不燒水的機制---用的是水流衝擊渦輪的原理。

而大型火電站,其實也是通過燒水後發電的。簡單點理解,就是火電站和核電站的最大區別,在於燒水的能量來源不同:火電站是化石燃料,而核電站是核燃料。

【新星的回答(7票)】:

燒開水當然簡單,關鍵你怎麼安全點火。

【cottonlittle的回答(3票)】:

題主關心的是:核能如何轉化為電能?

首先要回答電能是如何來的?

電能是通過閉合回路切割磁感線來的。所以要有循環切割磁感線的裝置。

柴油發電機,是通過內燃機將柴油點燃,通過爆炸推動來獲得磁感線。

可是,核能的釋放是非常巨大,而且非常迅速的,所以,要像柴油發電機這樣的方式來是不可取的。

目前的核能利用,還只能是通過加熱水,通過熱水機組來輸出電能。

我以前也想過這個問題。哈哈

【肥肥貓的回答(55票)】:

更準確的說,除了光伏以外的所有主流發電站的本質都是「軸轉動」。區別只在於用什麼推著轉。

水電是水直接推著葉片轉。

風電是風直接推著風車轉。

核電和火電是用水蒸氣推著轉。把水燒開是其中一個步驟。

事實上,你可以把核電廠看成一種比較另類的火電廠,只不過燒的燃料比較特別。天然鈾可以看成山上砍的柴,濃縮鈾可以看成用柴片加工來的木炭,燃料組件可以看成用紙包好的木炭,這樣在運輸時不至於污黑你手。

核反應堆就是燒炭的炭盆,水燒開了推動葉片旋轉,切割磁力線產生電力。

不過核電廠一個特殊的地方在於,它的水分成兩組,炭盆燒開的水蒸氣是用來加熱另一組水的,另一組水燒開了才是推動葉片的。這麼安排是怕炭盆那組水污了後者的乾淨。。。

燒盡的炭渣就是核廢料,你可以把核廢料看成是還會繼續有餘熱幾十年的炭渣,所以要把它泡在一個池子裡。或者運到到戈壁灘上交給國家統一處理。

【王某叉的回答(23票)】:

你以為燒水是個很簡單的事情麼,別說核電了,就是火電的鍋爐也不是那麼簡單的,有一門學科叫熱能與動力工程,本科/專科畢業加實習一年,連鍋爐專責都不算,只能叫鍋爐運行人員。燃燒的區別是非常大的,火箭發動機是燃燒,你劃根火柴點酒精等也是燃燒,兩個完全不能比的,退一步講就是燒煤粉爐和循環流化床爐的區別都需要重新回去上課。再說鍋爐燒開水出來啥樣的蒸汽,也是一堆講究的,我不扯了。

火電燒開水,通常是煤粉碎後進鍋爐燃燒,調節燃料和風量就可以調節功率。核電廠是反應堆燒,這個區別更大。這個就不講了,單一個將鏈式反應維繫在核反應堆臨界狀態不至於失控或者熄火就可以列出幾十頁的說明,如何研究分析控制更是一兩本書都寫不下來的。

除了反應堆和核電站的鍋爐屬於完全不同的熱源之外,核電比火電燒開水麻煩的地方有幾點:水的感生放射性,壓水堆需要雙回路和沸水堆的蒸汽輪機需要屏蔽;水不僅僅是作為冷卻劑存在的,同時也是反應堆的慢化劑和控制載體(壓水堆通過調整一回路水硼酸濃度來輔助調節反應性,沸水堆通過再循環流量調整反應堆空泡比例輔助調節,都需要考慮破口事故的後果);壓水堆存在由於水相變影響傳熱造成的沸騰危機,需要控制偏離泡核沸騰比,防止燃料包殼超溫威脅完整性。

所以核電燒個水也是比火電高大上的,火電燒個鍋爐也比電熱壺要高達上的,電熱壺燒到水開自動跳還帶保溫也是要比點煤爐子高大上的。

再說核能應用上還有使用佈雷頓循環的高溫氣冷堆和直接熱電轉換的熱離子堆設計,可惜前者沒商業運行的核電站,後面只有航天器上用。

---------------------------------------------------------

在核裂變當中,裂開的兩個新原子核集中了大部分能量(裂變總能量的85%),這部分能量以原子核運動的形式存在,也就是宏觀表現為內能,所以核能的利用方式依然是熱能轉換的過程。而我們已知的熱能轉換方式中效率較高的就是熱機。磁流體、熱離子發射或溫差發電等直接熱-電轉換能達到的效率非常低或依賴於非常高的溫度,在核能利用中存在較大困難。

在主要的熱機類型中,核反應堆的運行特性決定其不可能使用內燃機,只能使用另外三種熱機,基於郎肯循環(也有譯作蘭金)的蒸汽輪機、基於佈雷頓循環的燃氣輪機、基於斯特林循環的斯特林熱機。其中斯特林發動機擁有最高的理論效率,但實際上實用效率不高並由於換熱面積限制難以大型化,佈雷頓循環需要高溫熱源才能提高效率,並且需要氣體工質,導致核反應堆的功率密度較低,直到高溫氣冷堆技術成熟才被列入選項。

水是人類熟悉和最常利用的工質。廉價易得、性質穩定、比熱和蒸發潛熱高。水也是慢化性能極佳的慢化劑,在核能早期發展中,使用水冷卻的天然鈾反應堆是最早的一批核反應堆,基於水慢化的鈾柵格處於臨界安全和冷卻的需要被廣泛研究,其核性質為人所熟知;在最早作為潛艇動力堆的壓水堆發展歷程中,關於水堆的反應堆物理、材料、水化學得到了長足的發展,並顯示了作為動力堆的優良潛力:較高的功率密度(得益於優秀的慢化性能)、可以使用低濃縮鈾、工質易於獲得和加工、與反應堆內材料的良好相容性、一定的自然循環排熱能力。這就使得大部分動力和研究反應堆以水作為冷卻劑,並兼做慢化劑。

在早期的商業核能發展中,水堆以較高的功率密度擊敗了氣冷堆並壓制了石墨水冷堆和重水堆(高功率密度減少了核廢物產生、降低了退役成本、並易於佈置安全殼),並通過欠慢化設計取得對重水堆和石墨水冷堆的一定安全性能和成本優勢(這兩種反應堆使用壓力管結構,堆芯過慢化,可能存在正的空泡反應性,重水堆需要大量昂貴的重水),成為主要的商業核電堆型。

隨著高溫氣冷堆的成熟,以及超臨界二氧化碳在反應堆中的可能應用(氣冷或金屬冷卻快堆、熔鹽堆),佈雷頓循環的閉式燃氣輪機或基於此的聯合循環,對目前的水冷堆具有效率上的優勢。在高溫氣冷堆中,很高的冷卻劑溫度大幅提高了燃氣輪機的效率,但反應堆功率密度較小,為保留其由於燃料和較低功率特性所獲得的更佳固有安全特性的同時獲得更好的經濟性,多數採用單堆功率較小的模塊化設計,為提高經濟性,採用緊湊的氦氣輪機直接發電是有競爭力的選項;超臨界二氧化碳甚至可以大幅度縮小輪機體積使其縮小到蒸汽輪機的高壓缸大小。但是由於反應堆技術發展驗證的週期問題,這兩種反應堆還沒有得到商業應用。而輕水堆的進一步發展型號基於超臨界水的超臨界水堆,由於技術繼承性的優勢成為新一代核電站的研究重點之一,其效率也較現有反應堆有了進一步提高。

------------------

順便提一下溫差發電和熱離子堆。這兩種都是直接的熱電轉換,沒有運動部件,但效率偏低,主要應用是在空間探測上。

利用熱電效應,可以實現直接的熱電轉換,但效率低,實驗室效率不過14%左右,目前主要以配用核電池的方式用於空間探測器,旅行者號就是使用這種電源。溫差發電的發展與應用

熱離子堆是蘇聯在冷戰時期發展的一種空間反應堆,原理是利用金屬表面熱電子發射現象提供電能,需要燃料元件將金屬(通常是鎢、鉬等熔點很高的金屬)加熱到1000~1400攝氏度後逸出電子,電子通過中間空間到達收集器,並在發射器和收集器之間形成電位差驅動負載,轉換效率在5~25%。由於反應堆比大功率核電池更加經濟並能實現更大的功率,被蘇聯發展後用於大功率的軍事雷達衛星,但有墜毀導致放射性污染的不良記錄。

【尼瑪丁的回答(2票)】:

核電燒水,化石電燒水,水電用水推,風電用風推,大型太陽能電用太陽燒水,小型太陽能廉價半導體。都簡單粗暴。

【BlueSea的回答(1票)】:

高溫氣冷堆有一些直接使用氣透平的,是不燒開水的。但是大部分還是要燒開水。

【大灰灰的回答(0票)】:

這麼說好像也沒錯@_@

【胡凌雲的回答(0票)】:

主要都是轉輪子順便 @vczh

【靈薄獄的回答(4票)】:

這類問題還可以這麼問:

同樣是噴射,長征火箭和二踢腳有什麼區別?

火星探測器不就是距離遠點的遙控賽車麼?

航母不就是大的能跑飛機的船麼?

你完全搞錯關注點了少年!!!

核能最大的難點,是讓反應堆平穩安全地釋放能量,這種能量的結果就是源源不斷地熱能。

至於燒水,那只是把熱能轉化成動能,不是什麼重要環節。

所以你的問題把核心巧妙地避過了好麼!!

燒水是最不重要的好麼!!

【武琦的回答(1票)】:

補一下刀,目前的核電堆型都是用水做二回路冷卻劑,吸熱為蒸汽推動汽輪機發電。

但是一回路的話則有很多介質,快堆用鈉(快堆有3個回路),高溫氣冷堆用氦氣等等,所以雖然最終目的是燒水,中間的工序還是有不同的,而且在保證安全的前提下是非常困難和複雜的。

目前效率還是可以,普通壓水堆大概就是30多,但是這就跟我上面說到的堆型有關了,據說高溫氣冷堆好像能達到40多,但是它受限於單堆功率不能太大。

至於核能直接轉化成電能,現在有放射性同位素電池,航空上用的挺多,但其實實際原理還是經過了熱能這一環節,而且效率應該不高。

【王浩的回答(2票)】:

是也不是。

壓水堆沸水堆重水堆是燒水。

高溫氣冷堆是燒氦氣(此處「燒」意為加熱非燃燒,下同)。

快堆是燒液態鈉。

熔岩堆是燒熔融金屬化合物。

以後要有了新堆型我會來update的

【知乎用戶的回答(0票)】:

對,就是這個郎肯循環!

【眉間尺的回答(2票)】:

所有熱電廠的核心原動力,就是燒開水,或者說加熱工質。

話說問問樓上的,氣冷堆商用還得多久。高大上的等離子體為啥只在航天器商上用。

【王二的回答(2票)】:

火電站也是燒水

有的太陽能發電站也是燒水

內燃機的原理是燒火→_→

醒醒吧題主,你現在還生活在原始社會,所謂高科技都是高層給你的幻覺

【菁然的回答(1票)】:

題主難道不知道現在電廠裡最貴的設備就是燒水的鍋爐咩?

【moneyos的回答(3票)】:

我還在吃大米,是不是不夠高科技→_→

【王文的回答(2票)】:

辣麼高端的燒水麼。。。醉了

標籤:-生活 -物理學 -核電站 -核能 -電氣工程


相關資源:





給我留言