核反應(yīng)堆（大規(guī)模可控制裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置）

核反應(yīng)堆（大規(guī)模可控制裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置）

核反應(yīng)堆 （大規(guī)模可控制裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置） 次瀏覽 | 2022.08.10 15:43:18 更新 來(lái)源 ：互聯(lián)網(wǎng) 精選百科 本文由作者推薦 核反應(yīng)堆大規(guī)模可控制裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置

核反應(yīng)堆（英語(yǔ)：Nuclear Reactor），又稱原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配了核燃料以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模可控制裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置，是一種啟動(dòng)、控制并維持核裂變或核聚變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。在反應(yīng)堆之中，核變的速率可以得到精確的控制，其能量能夠以較慢的速度向外釋放，供人們利用。

中文名

核反應(yīng)堆

英文名

Nuclear Reactor

其他外文名

原子能反應(yīng)堆或反應(yīng)堆

原 理

可控自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)

主要構(gòu)成物質(zhì)

原子

簡(jiǎn)介

核反應(yīng)堆俗稱原子反應(yīng)堆，分核裂變反應(yīng)堆和核聚變反應(yīng)堆兩類。核裂變反應(yīng)堆系指在其中維持可控核裂變反應(yīng)的裝置。核裂變反應(yīng)堆按用途可分為生產(chǎn)堆、動(dòng)力堆、試驗(yàn)研究堆；按冷卻劑和慢化劑分為壓水堆、沸水堆、重水堆、氣冷堆、石墨水冷堆等；按中子能量分為快中子堆、中能中子堆和熱中子堆等。核反應(yīng)堆有許多用途，最重要的用途是產(chǎn)生熱能，用以代替其他燃料，產(chǎn)生蒸汽發(fā)電或驅(qū)動(dòng)航空母艦等設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)前（截至2011年）全部商業(yè)核反應(yīng)堆都是基于核裂變的，其裂變產(chǎn)物可以生產(chǎn)核武器之中使用的钚。

研發(fā)歷史

人類歷史上公認(rèn)的第一個(gè)核反應(yīng)堆是由恩里科·費(fèi)米于1942年在芝加哥大學(xué)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)建造的Chicago?Pile-1；該核反應(yīng)堆輸出功率僅為0.5W。

1954年，蘇聯(lián)建成了世界上第一座純民用的AM-1?Obninsk?原子能發(fā)電站，裝機(jī)容量為5百萬(wàn)瓦。

1960年，美國(guó)制造8座輸出達(dá)2?MW的攜帶型核子反應(yīng)爐Alco?PM-2A供應(yīng)該國(guó)陸軍在格陵蘭的Camp?Century計(jì)劃使用。

1972年，法國(guó)工人們?cè)诜侵藜优畹膴W克洛（Oklo）地區(qū)發(fā)現(xiàn)了輸出達(dá)100kW的遠(yuǎn)達(dá)20億年前天然形成的核子反應(yīng)堆。

工作原理核裂變

當(dāng)一個(gè)原子數(shù)較高的核子（例如U-235或Pu-239）吸收一個(gè)中子時(shí)會(huì)形成一個(gè)激發(fā)態(tài)的核子，然后裂變?yōu)閮蓚€(gè)或更多個(gè)輕核。釋放出的動(dòng)能、伽瑪射線和若干個(gè)中子，統(tǒng)稱為裂變產(chǎn)物。其中有些中子可能被下一個(gè)重核吸收，引發(fā)下一個(gè)裂變反應(yīng)，釋放出更多的中子，依此類推，這個(gè)反應(yīng)就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。但是動(dòng)量太高的中子不容易被重核吸收，需要慢化劑來(lái)減速中子。而太多中子會(huì)使反應(yīng)過(guò)快失去控制，可以用一些對(duì)中子吸收截面較大的核素來(lái)吸收中子抑制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。通過(guò)中子減速劑與吸收劑，來(lái)增加和降低反應(yīng)速率以控制反應(yīng)堆的輸出功率。

一般常用的中子慢化劑有輕水（即H2O）（世界上75％的反應(yīng)堆用水做慢化劑），固體石墨（20％）（切爾諾貝利電廠為著名的例子）和重水（即D2O）（5％）。在一些實(shí)驗(yàn)堆中，甲烷和Be也被用來(lái)做慢化劑。

熱能的產(chǎn)生

在反應(yīng)堆里，熱能主要有以下幾個(gè)來(lái)源：

1.反應(yīng)碎片通過(guò)和周圍原子的碰撞，把自身的動(dòng)能傳遞給周圍的原子。

2.裂變反應(yīng)產(chǎn)生的伽瑪射線被反應(yīng)堆吸收，轉(zhuǎn)化為熱能。

3.反應(yīng)堆的一些材料在中子的照射下被活化，產(chǎn)生一些放射性的元素。這些元素的衰變能轉(zhuǎn)化為熱能。這種衰變熱會(huì)在反應(yīng)堆關(guān)閉后仍然存在一段時(shí)間。

4.1千克U235完全裂變得到的熱能等于3千噸煤燃燒所釋放的能量。

冷卻

在反應(yīng)堆里，一般用水做冷卻劑（輕水或重水），也有用氣體或融鹽的。冷卻劑通過(guò)泵浦在堆芯里循環(huán)流動(dòng)，同時(shí)把通過(guò)裂變產(chǎn)生的熱傳遞出來(lái)。一般的反應(yīng)堆的冷卻系統(tǒng)和熱機(jī)是分開(kāi)的，例如壓水堆。也有的反應(yīng)堆，蒸氣是由反應(yīng)堆直接加熱得到的，例如沸水堆。

反應(yīng)堆控制

反應(yīng)堆的輸出功率，或者說(shuō)反應(yīng)率，是通過(guò)控制堆芯內(nèi)的中子密度和能量來(lái)控制的。

控制棒由中子強(qiáng)吸收材料做成。如果有很多的中子被控制棒吸收，就意味著就少一些中子引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。因此，把控制棒插入堆芯，將會(huì)減慢反應(yīng)速率，降低輸出功率。相反，將控制棒抽出，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速率將會(huì)增加，輸出功率也會(huì)增加。

在一些反應(yīng)堆里，冷卻劑同時(shí)也起慢化的作用。慢化劑通過(guò)和快中子的碰撞，吸收中子的能量，使快中子能量降低，成為熱中子。而熱中子引發(fā)核反應(yīng)的截面更大些。因此慢化劑密度高，將會(huì)增加反應(yīng)堆的功率輸出。而溫度高，冷卻劑的密度會(huì)降低，慢化作用降低，反應(yīng)速率下降。另一些反應(yīng)堆里，冷卻劑會(huì)吸收中子，起到控制棒的作用。在這些反應(yīng)堆里，可以通過(guò)加熱冷卻劑來(lái)提高反應(yīng)堆的功率。

反應(yīng)堆都有自動(dòng)和手動(dòng)的系統(tǒng)來(lái)防止意外事件的發(fā)生，當(dāng)出現(xiàn)意外事件時(shí)，將有大量的中子強(qiáng)吸收材料注入，使反應(yīng)堆關(guān)閉。

發(fā)電

由鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放出的能量通過(guò)冷卻劑傳導(dǎo)出來(lái)，加熱水，產(chǎn)生蒸氣，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

分類按用途分

動(dòng)力核反應(yīng)堆

研究核反應(yīng)堆

生產(chǎn)核反應(yīng)堆（快滋生反應(yīng)器）

按反應(yīng)堆慢化劑和冷卻劑分

輕水堆（壓水反應(yīng)堆、沸水反應(yīng)堆）：輕水型反應(yīng)堆使用相對(duì)分子質(zhì)量為18的輕水作為慢化劑和冷卻劑。

重水堆：重水堆可按結(jié)構(gòu)分為壓力容器式和壓力管式兩類。兩者都使用重水做慢化劑，但前者只能用重水做冷卻劑，后者卻可用重水、輕水、氣體等物質(zhì)做冷卻劑。

石墨氣冷堆

石墨液冷堆

按反應(yīng)堆中中子的速度分

熱中子堆

快中子堆

主要用途

1、將中子束用于實(shí)驗(yàn)或利用中子束的核反應(yīng)，包括研究堆、材料實(shí)驗(yàn)等。

2、生產(chǎn)放射性同位素的核反應(yīng)堆。

3、生產(chǎn)核裂變物質(zhì)的核反應(yīng)堆，稱為生產(chǎn)堆。

4、提供取暖、海水淡化、化工等用的熱量的核反應(yīng)堆，比如多目的堆。

5、為發(fā)電而發(fā)生熱量的核反應(yīng)，稱為發(fā)電堆。

6、用于推進(jìn)船舶、飛機(jī)、火箭等的核反應(yīng)堆、稱為推進(jìn)堆。

新聞事件

2011年3月日本大地震和海嘯引發(fā)福島核危機(jī)后，德國(guó)決定在2022年之前逐步廢除核能發(fā)電，并關(guān)閉了其17座核反應(yīng)堆中的8座，但其中5座被關(guān)閉的反應(yīng)堆仍被留作后備供電源，以防意外情況導(dǎo)致其它能源無(wú)法滿足供電需求。

2012年2月9日，美國(guó)核管理委員會(huì)時(shí)隔30年首次批準(zhǔn)運(yùn)營(yíng)兩座新建商用核反應(yīng)堆。這座核電站位于佐治亞州，由美國(guó)西屋電氣公司設(shè)計(jì)，最快2016年和2017年分別投入運(yùn)行，項(xiàng)目造價(jià)合計(jì)140億美元。

歷史沿革

早在1929年，科克羅夫特就利用質(zhì)子成功地實(shí)現(xiàn)了原子核的變換。但是，用質(zhì)子引起核反應(yīng)需要消耗非常多的能量，使質(zhì)子和目標(biāo)的原子核碰撞命中的機(jī)會(huì)也非常之少。

1938年，德國(guó)人奧托·哈恩和休特洛斯二人成功地使中子和鈾原子發(fā)生了碰撞。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有著非常重大的意義，它不僅使鈾原子簡(jiǎn)單地發(fā)生了分裂，而且裂變后總的質(zhì)量減少，同時(shí)放出能量。尤其重要的是鈾原子裂變時(shí)，除裂變碎片之外還射出2至3個(gè)中子，這個(gè)中子又可以引起下一個(gè)鈾原子的裂變，從而發(fā)生連鎖反應(yīng)。

1939年的1月，用中子而引起鈾原子的核裂變的一些消息傳到費(fèi)米的耳朵里，當(dāng)時(shí)他早已逃亡到美國(guó)的哥倫比亞。人類第一座核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)者費(fèi)米，費(fèi)米不愧是一個(gè)天才的科學(xué)家，當(dāng)他一聽(tīng)到這個(gè)消息時(shí)，就馬上相當(dāng)直觀地設(shè)想了原子反應(yīng)堆的一個(gè)可能性，并開(kāi)始為他能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)設(shè)想而努力奮斗。費(fèi)米組織了一支研究隊(duì)伍，而且專門對(duì)所建立的原子反應(yīng)堆等問(wèn)題進(jìn)行十分徹底的研究。費(fèi)米與助手們?cè)谝黄穑?jīng)常會(huì)通宵不眠地進(jìn)行理論方面的一些計(jì)算，并思考著一些反應(yīng)堆的形狀設(shè)計(jì)。[2]

1942年12月2日，費(fèi)米的研究組人員全體集合在美國(guó)芝加哥大學(xué)足球場(chǎng)的一個(gè)巨大石墨型反應(yīng)堆前面。這時(shí)由費(fèi)米發(fā)出信號(hào)，緊接著從那座埋沒(méi)在石墨之間的7噸鈾燃料構(gòu)成的巨大反應(yīng)堆里，控制棒緩慢地被拔了出來(lái)，隨著計(jì)數(shù)器發(fā)出了咔嚓咔嚓的響聲，到控制棒上升到一定程度，計(jì)數(shù)器的聲音響成了一片，這說(shuō)明連鎖反應(yīng)開(kāi)始了。這是人類第一次釋放并控制了原子能的時(shí)刻。

1954年前蘇聯(lián)建成世界上第一座原子能發(fā)電站利用濃縮鈾作燃料，采用石墨水冷堆，電輸出功率為5000千瓦。1956年，英國(guó)也建成了原子能電站。原子能電站的發(fā)展并非一帆風(fēng)順，不少人對(duì)核電站的放射性污染問(wèn)題感到憂慮和恐懼，因此出現(xiàn)了反核電運(yùn)動(dòng)。其實(shí)，在嚴(yán)格的科學(xué)管理之下，原子能是安全的能源。原子能發(fā)電站周圍的放射性水平，同天然本底的放射性水平實(shí)際并沒(méi)有多大差別。

1979年3月，美國(guó)三里島原子能發(fā)電站由于操作錯(cuò)誤和設(shè)備失靈，造成了原子能開(kāi)發(fā)史上空前未有的嚴(yán)重事故。然而，由于反應(yīng)堆的停堆系統(tǒng)、應(yīng)急冷卻系統(tǒng)和安全殼等安全措施發(fā)揮了作用，結(jié)果放射性外逸量微乎其微，人和環(huán)境沒(méi)有受到什么影響，充分說(shuō)明現(xiàn)代科技的發(fā)展已能保證原子能的安全利用。

注意事項(xiàng)

鈾-235原子分裂時(shí)會(huì)（根據(jù)分裂方式的不同）釋放出兩個(gè)或三個(gè)中子。如果附近沒(méi)有鈾-235原子，那么這些中子將會(huì)以中子射線的方式飛走。如果鈾-235原子是一塊鈾的一部分——那么附近就有其他鈾原子——于是將會(huì)發(fā)生下面三種情況：

如果平均起來(lái)，每次裂變正好有一個(gè)自由中子擊中另一個(gè)鈾-235原子核并使它發(fā)生裂變，那么這塊鈾的質(zhì)量就被認(rèn)為是臨界的。其質(zhì)量將維持一個(gè)穩(wěn)定的溫度。核反應(yīng)堆必須被維持在臨界狀態(tài)。

如果平均起來(lái)，擊中另一個(gè)鈾-235原子的自由中子少于一個(gè)，那么這塊質(zhì)量就是亞臨界的。最終，物質(zhì)的誘發(fā)裂變會(huì)終止。

如果平均起來(lái)，有超過(guò)一個(gè)自由中子擊中了另一個(gè)鈾-235原子，那么這塊鈾的質(zhì)量就是超臨界的。鈾會(huì)熱起來(lái)。

對(duì)于核彈，其設(shè)計(jì)者要求鈾的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)超臨界質(zhì)量，這樣燃料塊中的所有鈾-235能夠在極短的時(shí)間內(nèi)全部發(fā)生裂變。在核反應(yīng)堆中，反應(yīng)堆堆芯需要稍微超臨界，這樣工作人員就能控制反應(yīng)堆的溫度。工作人員通過(guò)操作控制棒來(lái)吸收自由中子，以使反應(yīng)堆維持在臨界水平。

燃料中鈾-235的含量（濃縮水平）和燃料塊的形狀決定了鈾的臨界狀況。可以想象，如果燃料是細(xì)薄的片狀，那么多數(shù)自由中子將會(huì)飛出去而不是撞擊其他的鈾-235原子。球形是最佳的形狀。以球形聚集在一起以實(shí)現(xiàn)臨界反應(yīng)的鈾-235的量大約為0.9公斤。這個(gè)量因此被稱為臨界質(zhì)量。钚-239的臨界質(zhì)量大約是283克。

參考資料