核能的应用——精选推荐
第五章核能的其他应用
5.1 宇航、卫星中的核电源
人造地球卫星和宇宙飞船都需要使用长期、可靠性高的电源。然而通常的化学电池重量大、使用期短，不能适应卫星、飞船工作。因此，在卫星、飞船中多数采用太阳能电池和蓄电池联合供电。但是，太阳能电池在离太阳太近或较远外，都不能适用。即使是太阳系内，据推算，海王星所接受到的太阳能，单位面积功率还不到地球上的1/900，无法利用。另外在需要供电功率较大时，太阳能设备体积和重量也很大，不适用于空间设备。
随着空间技术的发展，60年代
开始研究适用于卫星、飞船上的核能
电源。它是将核能转换成电能并供给
航天器或电推力火箭使用的设备和
系统。图为空间核电源的热电转换方
式。
空间核电力装置可以分为放射
性同位素衰变热转化成电的小型核
电池和将核反应堆裂变的热量直接转化成电的小型核动力装置两类。
◆核电池
核电池是利用放射性同位素的射线被物质吸收产生热能，并通过热－电转换设备获得电力。
核电池采用的放射性同位素来主要有锶－90（Sr－90，半衰期为28年）、钚－238（Pu－238，半衰期8
9.6年）、钋－210（Po-210半衰期为138.4天）等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。这种电池尺寸小，重量轻，它可适用于卫星、宇宙飞船上供电。但由于这些放射性同位素不存在自然界中，均由核电反应堆内生产，功率不可能很大，核电池的功率水平一般在1千瓦左右，使用寿期由几个月到几年。目前核电池已应用在地球轨道的卫星上。
◆空间核电站
随着空间技术的发展，长期载人的大型宇宙飞船和宇宙空间站，需要功率在几千瓦以上的电源；大型通讯卫星也需要功率较大的电源。而且根据空间使用的特殊要求：
电源设备重量要轻、寿命要长、体积要小、功率要大。为此国际空间核动力研究，一种是集热源、热电转换排热于一体的核电力装置。另一种的微型的核发电装置。
微型核发电装置，其反应堆采用高浓度的铀燃料与氢化锆慢化剂均匀混合的热中子反应堆，反应堆产生的热量由液体金属钠－钾合金带出，钠－钾冷却剂带出热量在热电转换放热器中转换成电能。这种方式转换效率高，但由于在空间长期调整旋转；无重力汽－液两相分离和材料、耐高温等问题，难以解决，因而目前尚未实际应用。
在最新空间核反应堆技术中，将
铀燃料元件制成象二极管一样，用核
燃料与金属钨片制作成阴极，金属铌
做成阳极，抽真空后，再装入铯蒸汽，
使电子容易由阴极飞出。这种装置称
为热离子发射转换堆。（见附图空间
热离子核反应堆）。反应堆中裂变产
生热量，将钨加热到1300－2000℃的
高温，钨便发射出大量电子，通过二极管和外电路形成电流。用这种反应堆发电不需要运动部件，整个装置可以做得小而轻，目前功率可以达到10千瓦以上，进一步改进功率可达1000千瓦。将应用于大型通讯卫星和星际航行的宇宙飞船的主要电源。
火箭核推进发动机
利用核能作为航天器推进初级能源的核动力装置可以分为核热火箭发动机和核电火箭发动机两类。
核热火箭发动机系统是利用核能加热工质产生推力的火箭发动机系统。它的工作
原理与化学火箭发动机相似，只是加热
能源不同。核热火箭发动机的比冲高，
核电站利用什么发电寿命长，但技术复杂，适用于长期工作
的航天器。利用核裂变反应堆的核火箭
发动机系统，工质一般为氢气，被反应
堆加热后调整喷出，产生推力。反应堆
用固体燃料时，工质喷射速度可达到8－12km/s。用液体和气体核燃料时事提高工质温度，使工质喷射速度达到15－20km/s。图为固体堆芯核热火箭发动机系统。
核电火箭发动机系统是将核反应堆裂变或裂变能首先转换为电能，为电火箭供电，然后由电火箭产生推力的推进系统。电火箭可以是电热火箭发动机、静电火箭发动机（离
子火箭发动机）和电磁流体发动机。俄罗斯和美
国都在开发发电和推进两用的空间核反应堆动
力系统，推进部分同核热火箭发动机系统，但加
入发电元件。这样的空间核反应堆动力系统，既
有核热火箭发动机系统的功能，又有空间核反应
堆电源的功能。图为典型的以热离子元件为发电
元件的发电推进两用空间核反应堆动力系统。
5.2核能供热
核能供能是利用核反应堆生产的能量直接供热。它可以用这种能量单纯供热，也可以用综合利用。如热电联供。核能供热是核能应用的一个重要方面。目前约有70%一次能源用于供热，而核能供热的优点是环境污染小，燃料运输量小，因此核能供热的市场前景十分广阔的。应用核能供热方式有两种：
第一种是在发电的同时采用抽气供热，这与常规热电厂相似。这种方式从有效利用燃料角度来分析，经济性较好。但是核供热电站一般蒸汽参数较低，相应的汽轮发电机效率低，设备大，相应的热效率低于烧有机燃料的供热电站。
第二种为建造单纯核供热站，即建造只产生低压蒸汽和热水而不发电。则反应堆不必采用高温高压，只有1.5～2.0兆帕，甚至更低压力。这样反应堆等一回路系统设备管道的制造安装容易成本低。另外，核供热站低温低压，安全可靠，可以建造在热用户附近，降低热管网投资，直接向市区供热。
目前世界已有的主要低温供热
堆型有：（1）壳式一体化自然循环
压水堆，如前苏联设计的AST－
500，其热功率为500MW，工作压
力为2.0兆帕；（2）池式核供热堆，
如加拿大建成的SLOW POKE堆热功率2000千瓦。反应堆为池式常压；自然循环，冷却水出口温度为80℃，在热交换器处被冷却剂50℃后通用反应堆，热利用率可达50%。此外，瑞典的ASEA公司也设计成类似的供热站。上图为低温核供热站。
我国自行设计建造的第一座低温核供热模式堆采用深水池式低温供热堆，热功率为5MW，池表面为常压，冷却水温度可达114℃，向热网提供90℃左右热水，该核供热
站已于1989年建成运行。
目前我国已设计壳式一体化自然循环核供
热堆。其热功率为200MW，工作压力为2.5兆
帕，反应堆堆芯和主热交换器均布置在压力壳
内。系统压力由压力壳内上部空间中氮气和水汽
混合物压力维持。图为壳式自然循环供热堆。
由于该堆采用了一体化、自稳压、全功率
自然循环冷却，控制棒动压水力驱动，双层结构
及非能动安全系统等措施。具有优异的固有安全
特性，因此该堆可以建造钢密的居民区附近。
一座20万千瓦的低温核热站可以满足500
万平方米的建筑面积供暖。每年节省标准煤30
万吨，减少1亿多万吨公里的运输量。同时减少
排放烟尘。
5.3核能海水淡化
世界不少国家和地区面临日益严重的淡水供应短缺问题，海水淡化是解决淡水短缺的重要途径。目前工
业规模的海水淡化技术分为两类：一类是利用膜技术消耗电能的工艺，即反渗透法（RO）；另一类是耗热工艺，即利用热能加热海水，通过蒸发――冷凝物理过程生产淡水。
海水淡化反应堆装置利用核反应堆产生的热能使海水脱盐转化为淡水的装置。海水脱盐通常只要求在140℃以下的热水（汽），因而采用低温供热堆比较合适。其原理如下图所示。反应堆冷却剂回路采用壳式一体化布置，全功率自然循环，在主热交换器中将热量传给中间回路，中间回路是将反应堆放射性水与海水淡化水回路隔开的一个回路，在中间回路蒸汽发生器内将热量传给海水淡化厂水回路的水，使之蒸发和升温至120℃，再通向淡化厂蒸发海水，使海水脱盐。海水脱盐常用多级闪盖和多效蒸发两种技术。一座200MW核供热堆与多效蒸馏淡化工艺相匹配，日产淡水可达16万吨。
5.4利用核能冶炼钢铁
人们多年来主要用高炉将铁矿石通过焦炭还原获得生铁。现在正在研究一种新的炼铁法，叫做直接还原法。这种方法不用大量焦炭，而是因850℃的氢或者氢与――氧化碳混合为气体作为还原体，在炼铁炉内将铁矿石直接还原成海绵铁，然后再用电炉将海绵铁炼成钢。这种超高温的氢和一氧化碳可以由新型高温气冷堆来提供，这种堆用石墨作中子慢化剂。高温氦气作冷却剂，出口温度可达1000℃。下图为利用高温气冷反应堆冶炼钢铁的原理。它由高温还原气体的制备，直接还原海锦铁的冶炼和利用核发电电能炼钢三部分组成。
1）高温还原气体的制备
将调整循环的氦气通过高温气冷反应堆加热到1000－1200℃，然后经中间热交换器将二次回路中无放射性的氦气加热到950℃左右，在还原气体装置内将碳氢化物（天然气、重油等）分解成高温的氢和一氧化碳，再经过加热器加热到850℃，然后被输送到冶炼炉去进行还原反应。
2）直接还原法冶炼海绵铁

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