關於反應器裡面的水

講到核能,似乎總是與「水」分不開,不管是散熱、會不會有污染…等問題,幾乎都會提到水,所以這篇就來聊聊反應器裡面的水。

 

《水可以做什麼用?》

水是一種很不錯的能量傳遞介質,既可以用來將熱能從某處傳到另一處,也可以藉由水遇熱轉為氣態、體積(壓力)增加的特性將熱能轉換為動能。因此在早期的蒸氣輪船上,鍋爐將水燒成蒸氣後後有許多用途,包含推動主要輪機(推進動力)、各種輔機(泵浦、絞盤…)或是提供熱水。又或者是不少大型建築物的中央空調系統,使用熱水/冰水作為熱傳遞介質供應暖氣/冷氣;還有內燃機引擎或是大功率的電動馬達可能使用的水冷系統,也是一個例子。

今天,水的這些特性仍然被廣泛地用在大型發電機組上,利用核能、火力(燃燒煤、天然氣或是石油)、地熱、太陽能(聚熱式)等等方式將水加熱為水蒸氣,利用體積(壓力)變大的力量推動發電機發電。

《反應器裡面的水是什麼水?》

在核能反應器系統中,水所扮演的角色和各種蒸氣動力系統一樣,都是傳遞能量、將熱能轉換為動能的介質。也和各種蒸汽動力鍋爐一樣,都需要使用沒有雜質的純水,避免水中的雜質形成水垢堆積。但核能反應器多了一個理由⋯水中的雜質愈少,隨著使用過程被中子活化而具有放射性的雜質也就愈少。

因為構成水分子的氫原子與氧原子本身都是相當穩定的,非常難以活化成具有放射性的同位素,會帶有放射性的是水中被活化的雜質。通常反應器運轉時,爐心循環的水會有少量被活化的放射性核種,但大都是半衰期很短(放射性較強)的核種,因此一般機組大修時,都會讓機組先停機約一天後,人員就可以安全地接近相關管線進行維護工作。

《反應器中的水是如何循環的?》

這是目前用於核能發電最常見的反應器可以分為兩種類型,「沸水式反應器」與「壓水式反應器」(當然這兩種類型都各有一些不同的設計)。

沸水式反應器會將爐心中的水直接加熱成蒸汽推動汽輪機,利用後再冷卻成液態並流回爐心。這個利用方式很類似現行大多數的火力發電機組,水既做為傳遞能量的介質,也做為將熱能轉換為動能的介質。

壓水式反應器爐心循環的水永遠都是高壓液態的,水在爐心被加熱後,會經由管線流至熱交換器釋出部分熱能後再流回爐心;而熱交換器將熱能傳給另一個循環中的水產生水蒸氣推動汽輪機。這種方式在反應器中循環的水,僅作為傳遞熱能的用途。

《減速材料、輕水與重水》

除了做為能量傳遞或轉換的介質外,反應器中的水其實還有一種用途–中子減速(部分中文翻譯可能翻譯為「慢化」)材料。核分裂的連鎖反應靠得是中子撞擊原子核引起核分裂,和打保齡球有點類似–除了要打得準外,適當的滾動速度對球瓶有更好的擊倒效果–中子需要適當地減速,才有辦法有效率地在爐心內維持連鎖反應。比較常見的減速材料除了水外,還有石墨,而水就中子減速的需要,常常會分為「輕水」與「重水」。

「輕水」和「重水」的分子都是由兩個氫原子和一個氧原子組成。差別在於構成「輕水」分子的氫原子就是一般常見由一個質子組成的氫原子,也就是一般我們使用的水。而組成「重水」分子的氫原子是由一個質子和一個中子組成,也就是氫的同位素「氘」(或稱重氫,自然界中約佔所有氫原子的0.015%)。「輕水」和「重水」的物理與化學特性相近,而重水因為多了兩顆中子,質量略大一些,所以被稱作「重水」。

重水的中子減速能力較好,早期常被用來在提煉核子武器燃料的反應器中使用,因此在核子武器議題上,重水的議題也是相當敏感的,也因此目前用於民生發電的反應器大多數都是使用輕水。

《反應器裡面一定要有水嗎?》

水除了可以作為能量傳遞的介質外,也因為水加熱後體積(壓力)變大的效果很好,而被拿來當作將熱能轉換為動能的介質。此特性在某些狀況下也具有破壞力,例如車諾比核電廠(使用的是石墨慢化壓力管沸水式反應器)事故,就是因為操作不當造成反應器爐心管線中的水蒸氣壓力快速升高而將管線炸開。

作為反應器爐心的熱能傳遞介質,除了水以外,惰性氣體、液態金屬、熔融狀態的鹽類等都有反應器採用。其中氣體、熔鹽等,因為在高熱的狀態下比水穩定,機組維運也不像液態金屬那樣複雜,在新世代的核反應器上都有相關的研究且受到矚目,有機會成為更安全、效率更高的反應器類型。

《被放射性核種污染的水如何處理?》

前面提到純水本身是非常難以被中子活化的,因此一般講到放射性的污水,其水分子本身是沒有放射性的,而是水中有其他的放射性粒子。因此經由過濾、蒸餾等方法,將水分子與放射性物質分開後,乾淨的水是可以回到自然界的。而分離出來的放射性污染物會呈現固態或污泥狀,體積很小且可以在常溫常壓下維持穩定狀態,方便後續處理。

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