核反应堆

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瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)内的小型研究型核反应堆CROCUS的堆芯

核反应堆英语Nuclear Reactor)是一种启动、控制并维持核裂变核聚變链式反应的装置。相对于核武爆炸瞬间所发生的失控链式反应,在反应堆之中,核变的速率可以得到精确的控制,其能量能够以较慢的速度向外释放,供人们利用。

核反应堆有许多用途,当前最重要的用途是产生热能,用以代替其他燃料加热,产生蒸汽发电或驱动航空母舰等设施运转。当前全部商业核反应堆都是基于核裂变的,其裂变产物可以生产核武器之中使用的

工作原理[编辑]

诱发裂变. 一个中子被U235吸收,形成一个处于激发态的U236,U236不稳定,裂变为两个轻核,并放出2-3个中子。反应堆的裂变反应原理和原子弹的原理一样,都是链式反应。但是在反应堆裡,核子反应速率较慢。

和传统的热电站一样,核电站也是通过蒸气机驱动发电机发电。但是在核电站裡,热能是由核裂变的碎片的反冲能转化而来的。

法国是应用核反应堆发电较为广泛的国家之一。

随着石油煤炭资源日渐稀缺,核能发电开始受到重视。但是同时,處理核能发电产生的放射性废物、高昂的建造及安全成本成为核能发展的障碍,而擔憂切尔诺贝利事件日本福岛第一核电站事故再次發生則是最主要的心理及社會障礙。

核裂变[编辑]

当一个原子数较高的核子(例如U-235或Pu-239)吸收一个中子,会形成一个激发态的核子,然后裂变为两个或更多个轻核。释放出动能,伽玛射线和若干个中子,统称为裂变产物。其中有些中子可能被下一个重核吸收,引发下一个裂变反应,释放出更多的中子,依此类推。这个反应就是链式反应

但是動量太高的中子不容易被重核吸收,需要慢化剂來減速中子。而太多中子會使反應過快失去控制,我们可以用一些对中子吸收截面较大的核素来吸收中子抑制链式反应。通过中子減速劑與吸收劑,來增加和降低反应速率以控制反应堆的输出功率。

一般常用的中子慢化剂有轻水(即H2O)(世界上75%的反应堆用轻水做慢化剂),固体石墨(20%)(切尔诺贝利电厂為著名的例子)和重水(即D2O)(5%)。在一些实验堆中,甲烷也被用来做慢化剂。

热能的产生[编辑]

在反应堆裡,热能主要有以下几个来源:

  1. 反应碎片通过和周围原子的碰撞,把自身的动能传递给周围的原子。
  2. 裂变反应产生的伽玛射线被反应堆吸收,转化为热能。
  3. 反应堆的一些材料在中子的照射下被活化,产生一些放射性的元素。这些元素的衰变能转化为热能。这种衰变热会在反应堆关闭后仍然存在一段时间。

1千克235U完全裂变得到的热能等于3千吨煤燃烧所释放的能量。

冷却[编辑]

在反应堆裡,一般用水做冷却剂(轻水或重水),也有用气体,融盐或是熔態金屬的。冷却剂通过泵浦在堆芯裡循环流动,同时把通过裂变产生的热传递出来。一般的反应堆的冷却系统和热机是分开的,例如压水堆。也有的反应堆,蒸气是有反应堆直接加热得到的,例如沸水堆。

反应堆控制[编辑]

反应堆的输出功率,或者说反应率,是通过控制堆芯内的中子密度和能量来控制的。

控制棒由热、中子强吸收材料做成。如果有很多的中子被控制棒吸收,就意味着就少一些中子引发链式反应。因此,把控制棒插入堆芯,将会减慢反应速率,降低输出功率。相反,将控制棒抽出,链式反应的速率将会增加,输出功率也会增加。

在一些反应堆裡,冷却剂同时也起慢化的作用。慢化剂通过和快中子的碰撞,吸收中子的能量,使快中子能量降低,成为热中子。而热中子引发核反应的截面更大些。因此慢化剂密度高,将会增加反应堆的功率输出。而温度高,冷却剂的密度会降低,慢化作用降低,反应速率下降。另一些反应堆裡,冷却剂会吸收中子,起到控制棒的作用。在这些反应堆裡,可以通过加热冷却剂来提高反应堆的功率。

反应堆都有自动和手动的系统来防止意外事件的发生,当出现意外事件时,将有大量的中子强吸收材料注入,使反应堆关闭。

发电[编辑]

由链式反应释放出的能量通过冷却剂传导出来,加热水,产生蒸气,推动发电机发电。

历史[编辑]

人类历史上公认的第一个核反应堆是由恩里科·费米于1942年在芝加哥大学负责设计建造的Chicago Pile-1;该核反应堆输出功率仅为0.5W。

1954年,苏联建成了世界上第一座純民用的奧布寧斯克原子能發電站,装机容量为5百萬瓦。

1960年,美國製造8座輸出達2 MW的携帶型核子反應爐Alco PM-2A供應該國陸軍在格陵蘭Camp Century計畫使用[1][2]。 1972年,法國工人們在非洲加蓬奥克洛(Oklo)地区发现了,輸出達100kW的遠達20亿年前天然核反应堆[3][4][5]

分类[编辑]

核反应堆有许多种不同的分类方法 按用途分类,可以分为:

按照反应堆慢化剂和冷却剂的不同,可以分为:

按照反应堆中中子的速度,可以分为:

參見[编辑]

註釋[编辑]

  1. ^ http://gombessa.tripod.com/scienceleadstheway/id9.html Camp Century, Greenland
  2. ^ The Story of Camp Century - The City Under Ice, US Army film, 1961 (via You Tube)
  3. ^ Meshik, Alex P. "The Workings of an Ancient Nuclear Reactor." Scientific American. November, 2005. Pg. 82.
  4. ^ Oklo: Natural Nuclear Reactors. Office of Civilian Radioactive Waste Management. [June 28, 2006]. 
  5. ^ Oklo's Natural Fission Reactors. American Nuclear Society. [June 28, 2006]. 

參考文獻[编辑]