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中子通量及下落不明之前,不必急於沖核電站豎中指!


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作者 正文
kiwaho
(只看此人)




文章 時間: 2021-4-23 05:22 引用回復
副標題:核電站中子年產量約1kg,核廢水攤幾何?



核電站靠鈾235同位素的巨大裂變熱量,把熱機的工質水燒開,過熱至高壓蒸汽,推動汽輪機發電。

核燃料U235原子核被一個慢速中子碰瓷破裂,蹦出兩個小原子核碎片,外加2至3個熱中子。

具體的碎態有60多種花樣,任一碎態的平均產熱250MeV以上,平均生產中子2.5個,也即每生產一個新中子,可以產熱100MeV。

中子無電荷,可在燃料棒內外橫沖直闖。因為:假設把一個原子放大到足球場那麼大,位居中心的原子核也就足球那麼大,按比例放大後的中子則比乒乓球大一些。核外是空曠的電子雲空間,相當於隸屬原子核心的中央警備團巡邏地盤。然而這道電子雲屏障,對中子來說,形同虛設。

放蕩不羈的中子輕易可溜出燃料棒,跑進被加熱的水中,很難再游回燃料棒。最後要麼與水分子中的氫原子核擦出火花,熔合為氫的同位素氘,要麼與先前生成的氘再熔合為氚。

唯有這個氚是個不穩定的同位素,隨時會衰變成氦的同位素He3,並射出18KeV以下動能強勁的電子。大約12年後,有一半的氚會變成氦。水分子H2O可能因此突然丟失一個氫原子,變成自由基HO;若水分子的2個氫都是氚,全變氦後剩下孤氧,反而有益健康。

其實,很多先富起來的人,早就與氚打上了交道:名貴手表通常都有夜光功能,指針、時標上都有含氚的熒光粉。只是科普不到位,消費者也許不知情。

另一方面,棒內逸出一個中子,就少一個觸發裂變的“撥火棍”份子。假設極端情況:新生中子都沒在燃料棒內撞破任何核,就急匆匆跑出棒外,此時的燃料棒將會熄火。實際上,合理設計的燃料棒,U235濃度的商用保障,可使大多數中子,能在棒內幹幾次爆破的正經事後再逸出。這叫可持續鏈式核裂變反應。

習題:試算秦山核電站每年的中子產量。

已知:

滿負荷額定發電功率300MW(采用設備銘牌);

熱機效率33%(合理假定值);

1MeV = 1.7*10^-13J;

中子質量1.7*10^-27kg;

100MeV/每中子誘發裂變產熱;

求解:

年理論極限發電量 = 365*24*300000 = 2.9*10^9kwh = 29億度電。

年預期發電量 = 年極限發電量 * 負荷占空比 = 29 * 0.6 = 17.4億度電。這裡采用0.6作為負荷占空比,是本人的經驗值,充分考慮了廠礦企業晚上以及節假日不開工,且設備每年都需例行的保養檢修工時。

年實際發電量 = 17億度電。此數摘自該核電廠的營銷業績年報。對比預期值,說明占空比系數還算靠譜。

折合每公斤中子的產熱:10^16J/kg;

年發電量折算成熱機的輸入熱量 = 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,中子的年產量 = 1.84公斤。

中子密度極高,吃飯用的一小勺中子,比喜馬拉雅山還重!

跑到水裡搞搞震,只是中子的出路之一,還有較大一部分比例,被燃料棒的主體基礎原子U238吸收,變成中間產物U239,約莫23分鍾後,衰變為Np,再2.4天後變為鈽 – 核武器氫彈聚變點火的高級燃料。

為了控制晝夜/節日負荷的峰谷波動,需要火力調控。一般用鎘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。這是中子的另一顯著歸屬。

裂變生成物繁多,加上容器,結構件等等,涉及到的雜七雜八的原子,都有可能與中子啪啪啪打野炮。中子在這方向的出路,可能份額不大。

自由中子的壽命約15分鍾,如果在短期內沒有發生融入其它核的事件,最後的出路就是衰變為氫原子,之後2個氫原子結合成易燃易爆的氫氣 。

弄清裂變中子最終去向很有現實意義。

據說10年前的日本福島核事故,不至於弄得像現在這樣不可收拾,如果當時事故突發處理人員正確估計中子的下落的話。

正因為憑想象高估了中子變成氫氣的份額,而導致處理人員有害怕引起氫氣爆炸的危險,錯失使用正確手段的時機,如應急電焊補漏等。

核電站純中子年產量也就公斤級別,就算100%經beta衰變成氫,彌漫至反應堆附近空間中的氫氣濃度也很低,根本無需擔心氫閃爆。

至於1kg中子年產量造就的核廢水,待中子下落各方向百分比准確掌握後,可得到置信度較高的數據。

沒有這個准確百分比,可按最壞的情況:全部被核廢水吸收,有興趣的學術控們,不妨算算核廢水的情況、傾倒海域稀釋後的濃度、匡算人體攝入氚的年劑量,甚至對比折算相當於拍了多少張醫學X光片(X射線能量約100KeV)的輻射量。

學術界值得深入研究核裂變中子去向比例分布。同仁若有詳實的相關研究論文,也歡迎推薦、共享。

文科生們不必計算,就知道任何東西對大海而言,都是滄海一粟,只不過他們更在意到底是哪款的一粟:若是游輪海上倒掉幾十噸臭大糞,盡可哈哈一笑;換作含半斤氚元素的核廢水,則必口誅筆伐。

本文旨在科普。心中有數,遇事不慌;獨立思考,不人雲亦雲。


 
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kiwaho
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文章 時間: 2021-4-23 07:05 引用回復
除了難以去除的氚之外,處理後的污水中還存在一些放射性同位素,包括碳14、鈷60和鍶90。

這些同位素的含量遠低於氚的含量,但放射性比氚更大。

Anyway,中子總量就那麼多,中子是綱,綱舉目張,量這些爛七八糟的東西也多不到哪去。
 
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kiwaho
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文章 時間: 2021-4-23 09:03 引用回復
在追求公義的世界,可以自由沖核電站豎中指,但且等科學家們搞清楚了中子通量及下落明了再看。如果有誰科學地推翻了我這裡的妄算,定虛心學習,並加入中指行列。
 
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kiwaho
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文章 時間: 2021-4-26 19:31 引用回復
沒有中子去向的准確百分比數據,可按最壞的情況:全部被核廢水吸收,且一半的中子先與水H2O裡一個氫聚合成氘,再用另一半的中子,將生成的氘一個不剩地,全都聚合成氚。

則按原子量勾兌的結果:分子量 = 3(氚)+1(氫)+16(氧)= 20,消費了2個裂變逸出中子,即每kg中子,可兌10kg,也即10升含氚重水精。

日本聲稱有百萬噸核廢水,相當於將重水精稀釋了巨大的倍數:10^9/10= 10^8,即1億倍。
 
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