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〔科技教育〕 重水堆核电站 作者: 阮养强 作者单位: 来源: 科技日报网站 核反应堆是核电站中最关键的设备,也是不同类型核电站的主要差别所在。1954年,前苏联建成世界第一座试验核电站奥勃灵斯克核电站。1957年,美国建成世界第一座商用压水堆核电站希平港核电站。经过半个多世纪的发展和筛选,已发展成商业规模并且不断有后续建造项目的核电反应堆主要有三种类型:压水堆、沸水堆和重水堆。压水堆和沸水堆源于1953年美国原创开发成功的核潜艇动力堆;而重水堆则主要是由加拿大原创开发的专门用于核能发电的压力管式重水反应堆,也叫CANDU(坎杜)堆。第一座示范CANDU堆于1962年建成并投入运行。CANDU机组大部分建在加拿大,近年来发展到韩国、阿根廷、罗马尼亚和中国等6个国家。我国大陆已建成和在建共有11台核电机组,其中秦山三期核电站的两台机组采用CANDU堆,其余都用压水堆。 CANDU堆的核燃料加工成简单短小的燃料棒束组件,每根燃料棒长约50厘米,外径约10厘米。堆芯由几百个水平的压力管式燃料通道组成,每个压力管内一般装有12个燃料棒束组件。高压冷却水从燃料棒束的缝隙间冲刷流过,不断把热量带出堆芯。冷却水加了很高的压力之后,温度可以保持较高而不发生沸腾。在燃料通道外侧的是低温低压的重水慢化剂,慢化剂与压力管内的高温高压冷却水是分隔开的。核裂变产生的热量从燃料棒传递到高压冷却水,冷却水又在蒸汽发生器的U型管内把热量传递给管外的普通轻水,普通轻水沸腾所产生的高温高压蒸汽去驱动汽轮发电机发电。目前的重水堆核电站所使用的冷却水是昂贵的重水,在新一代先进重水堆设计中,冷却水将采用轻水,而重水的用途只限于作慢化剂,因而绝大部分重水可以省掉。 CANDU堆由于它的燃料棒束组件简单短小,又加上反应堆堆芯是水平管道式的,所以在更换燃料的时候不需要停堆。更换核燃料时,两台机器人式的换料机分别与一个通道的两端对接,一台换料机从一端将燃料棒束一个个通过燃料通道,顺着冷却剂流动的方向推入堆芯;另一台换料机在另一端接收卸出的乏燃料棒束。换料可以在反应堆任何功率运行时进行,整个操作过程可在控制室通过计算机系统按预编程序遥控自动完成。不停堆换料带来的好处是多方面的,它不仅避免了因更换燃料而需要较长时间的强制性停堆,更重要的是它提供了一种强有力和灵活的燃料管理手段,也能及时把破损的燃料组件从堆内取出。 CANDU堆简单短小的燃料组件设计,意味着燃料制造厂投资小,易于国产化,燃料生产成本低,燃料和相关运行管理费较低。所有发展CANDU堆的国家,第一个机组建成后不久,很快都能实现燃料组件制造的本土化。中国包头核燃料元件厂的重水堆燃料组件生产线已建成投产,将为秦山三期重水堆核电站提供燃料。 CANDU堆具有高中子经济性的突出优点。这一方面是由于重水慢化剂对中子吸收很少,另一方面由于不停堆换料、简单的燃料组件设计和堆芯中含有较少对中子有害的结构材料也减少了中子的损失。高中子经济性意味着裂变所产生的中子浪费较少,大多数用于引发新的裂变或者转换产生新的易裂变核,从而可提高核燃料的利用率。这个优点使重水堆成为惟一可以利用天然铀作燃料的商用核电反应堆。除了天然铀以外,重水堆也可以高效利用其他多种核燃料,包括低浓铀、铀钚混合燃料、压水堆乏燃料、铀或钚驱动的钍燃料等。另外,由于特殊的堆芯结构和反应堆物理特点,CANDU堆在发电的同时还可以用来生产用途广泛的钴-60等同位素。 除了反应堆本体之外,重水堆核电站与压水堆核电站很相似,所以,多年来在发展压水堆核电站过程中所建立起来的技术基础和制造能力,同样可以用于发展重水堆核电站。而且,重水堆避免了制造技术较复杂的庞大压力容器,代之以制造相对容易的压力管。 为了满足未来电力市场的需要,融合轻水堆和重水堆优点的新一代核电反应堆设计已经出现。比如,加拿大原子能公司将在2005年底推向市场的先进设计ACR,可望在单位造价上比目前这一代设计降低40%以上,建造时间可以减少到36个月。该设计一方面保留了重水慢化堆的传统特点和优势,另一方面像轻水堆一样采用低浓铀燃料和轻水冷却剂。通过堆芯设计的重新优化,不仅可显著改善安全特性和缩小堆芯尺寸,同时为相关系统的简化或优化创造了条件。新一代改进型设计,通过大幅度降低单位造价和发电成本,将从根本上提高核电相对于火电的经济竞争能力,为核电更大规模的发展创造有利条件。
〔科技教育〕 核反应堆() 原子核裂变发现时,正值第二次世界大战爆发的前夕,欧洲许多科学家受到法西斯的迫害逃亡国外,他们听到风传德国正加速研究链式反应,感到了万分焦虑。当时流亡在美国的匈牙利物理学家西拉德,维格纳、特勒一起找到爱因斯坦,想借助他的名望给美国总统罗斯福写信,以敦促美国赶在纳粹德国之前造出原子弹。1939年8月2日爱因期坦签发了著名的给美国总统罗斯福的信。由于这封信的结果,在美国组织起了一支庞大的研究队伍,这项计划代号叫“曼哈顿工程” 为了论证实现链式反应的实际条件,美国决定建造一座自持链式反应装置。由美国物理学会会长著名科学家康普顿等人推荐,流亡到美国的意大利科学家费米来到芝加哥,领导建造第一座原子反应堆,地址选在芝加哥大学斯塔格运动场的西看台下的网球常经过不到三星期的全速建造工作,一个庞然大物就已经展现在人们眼前了。由于它是由石墨块、铀和氧化铀 “堆”砌而成,所以最初叫做 “原子堆”,后来又称做 “核反应堆”这个反应堆共有57层,堆高6米,呈扁球形,石墨作为减速剂,堆的中间有许多小孔,内插镉棒,用镉棒插入的尺寸来控制反应堆的运行。1942年12月2日下午3时35分,费米命令将最后一根镉棒再往外抽出30厘米,反应到临界点,人类历史上第一次链式反应开始正常运转,在场的所有工作人员都异常兴奋。后来康普顿小心翼翼发打了个电话给哈佛大学,把这个 “最高机密”通过临时编制的密语告诉美国国防研究委员会委员科南特: “意大利水手已经登上了新大陆”。电话的另一端问道: “土人们如何?”回答说: “非常友好”。此时此刻,世界进入了 “核时代”。当时这个反应堆产生的功率只有0.5瓦,10天后上升为200瓦。 1946年12月 25日苏联第一座大型核反应堆建成,1947年大型军用核反应堆投入运转。法国于1948年12月建成第一座核反应堆。我国1958年建成第一座重水型实验核反应堆。
【大学争鸣 】美国大学成功的五大理由 美国大学成功的五大理由 ��今天,美国大学的实力雄踞世界之首。美国的高等教育不仅是国家向公民提供的一项福利,也是创造社会财富的优良动力。美国卡内基小组的研究表明,美国的经济实力有50%是从它的教育制度获得的。拥有了世界一流的高等教育,美国才能拥有大量的自主知识产权、影响深远的杰出学者和强大的知识经济,才能成为科技强国。     然而,美国高教并不完美。美国在过去一百年中有许多措施、政策、制度、思路值得效法,但近20年来也呈现出流弊日滋的景况。       本文的目的在于分析大学对美国发展的重要贡献,探讨美国大学成功的根本要素,以及近二十年来显现出的弊端。《老子》说:知人者智,自知者明。但愿本文对美国大学体制成败得失的分析能对寻求中国教育制度进步的人们提供一种参照。       美国大学成功的五大理由       美国作为世界公认的科技强国,拥有世界50%以上的学术论文、诺贝尔奖得主和专利。美国之所以强大,很重要的原因就是它拥有为数众多的世界一流学府,它们吸引着全世界最优秀的学生负笈美国,一俟学业完成,这些学生很多都留在美国,成为美国支撑其科技强国地位的砥柱。                   全世界最好的大学有85%是美国的大学(据上海交大所做世界大学排名,前20名中有17所美国大学)。美国用世界上最优秀的大学吸引世界各地的最有潜质的学生到美国学习,再用它强大的企业将这些人才中的大多数留在美国本土。在微软、IBM、苹果等美国高科技企业中充满了来自中国、日本、韩国、印度、加拿大、法国、英国等国家的拔尖人才。这些异域精英们为美国的科技和产业发展提供了坚实的人才基础。       美国大学的成功有五大理由:(1)英明的政策与官员;(2)灵活自由的教学方式;(3)严格的教师录取、晋升、管理制度;(4)在进步中求稳定的思维;(5)私立大学奇迹般的崛起。       (1)英明的政策与官员       1862年,美国正着手开发西部,一位有远见的参议员Justin Morrill为了提供落后地区的农工人员受教育的机会,推动实施了《赠地法案》,由政府提供免费土地用以创办新的“赠地大学”。这个法案使每个州分别获得三万英亩土地,《法案》还允许大学将这些土地变卖,用卖地之资作为学校经费。       随着美国的社会财富日益雄厚,国家对大学的经费投入也逐步增加。见到德国的研究型大学获得成功,Morrill和其他参议员又推动实施了新的法案,追加了研究经费和新学科教学的经费,以促成研究和教学并重的“研究型大学”。       尽管有了这些英明的政策和充裕的经费,20世纪初美国的科研和大学仍然落后于欧洲。这时的美国,需要的是一个契机。历史没有让美国人等得太久。二战期间,在美国国家防务研究委员会主任Vannevar Bush的领导下,有六千名科学家机密地进行了大量的科研工作(包括影响深远的对原子弹、雷达、解密算法、导弹和青霉素的研究)。二战结束, Vannevar Bush调任国家科学研究与开发办公室主任。他提交给罗斯福总统一份名为《科学——无尽的战线》(“Science, the Endless Frontier”) 的报告,阐述他设计的一整套国家扶持科技,利用科技创造财富的机制,其主要内容如下:       大幅度提高科研经费。科学研究是国家强盛、人类进步所必需的,政府有责任支持、资助这个领域。从1940到1990年,美国的研究经费涨了4000倍。2000年,美国联邦政府在科学研究方面的支出超过380亿美元。       把国家科研下放给大学。 Vannevar Bush的主要方案之一就是“合同制联邦主义”(Federalism by Contract),其实质就是联邦政府自己不设立研究机构,而是通过签订研究合同的方式,把科研任务交付给大学或私营公司。他与41所大学/研究机构、22家公司签订了二百多个科研合同。美国除了少数的国防机密项目,绝大多数的科研经费都经过美国国家科学基金会、国家卫生基金会、国防部高科技组织、海军研究办公室等提供项目,通过竞争方式下放给研究型大学和其它实验室来操作。
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