原子核反应堆yuanzihe fanyingdui

一种实现可控制的重核裂变链式反应的装置，简称反应堆。在核能开发利用中，它是目前最重要的装置之一。在设计反应堆时，必须解决以下几个问题：
❶选择合适的裂变物质——核燃料，并提供必要的维持链式反应的条件。
❷控制反应规模，使其按工作需要进行。
❸把裂变产生的核能引出来应用。
❹防止裂变反应产生的中子和放射性物质的泄漏，以保护环境安全。
根据原子核的裂变理论，天然铀(含99.3%的²³⁸₉₂U、0.7%的²³⁵₉₂U和少量的²³⁴₉₂U三种同位素)中，对92 235U各种能量的中子都能引起它的裂变，速度很慢，能量约为0.025电子伏左右的热中子引起裂变的概率特别大。而23892U只对能量超过1.1兆电子伏的快中子才有极小的裂变概率，能量小于1.1兆电子伏的中子只能被它吸收或散射，热中子被23892U俘获的概率却只是使₂₃⁵⁹²U发生裂变的概率的1/190左右。由此可见，为了增加中子引起裂变的概率，应设法使裂变后产生的快中子减速，尽快地变成热中子。此外，很多物质能强烈吸收中子，所以在反应堆中应尽量避免有这些物质以杂质形式存在。但是为了使反应不致于进行得过于激烈而引起爆炸，又常要用这些能够吸收中子的物质来控制反应速度。还应指出，中子还有逸出堆外的可能，这取决于反应堆的几何形状大小。为此，一般在反应堆的活性区（进行链式反应的区域）的外围装有反射层。减少中子的逸出。当活性区的大小恰能使中子的增殖系数k=1，对应的活性的体积就是临界体积，它是维持裂变链式反应进行的最小体积。
反应堆主要由以下几部分组成：
❶原子燃料，又称核燃料。在反应堆中能够发生裂变并释放出大量核能的物质都可做核燃料。天然铀或23592U含量较高的浓缩铀是目前反应堆中最常用的核燃料。除此之外，利用反应堆还可以生产两种核燃料，一种是²³⁹Pu，另一种是²³³U。²³⁹Pu可通过快中子和²³⁸U反应后再经两次β衰变而获得，反应方程如下：

²³⁹Pu具有α放射性，衰变成²³⁵U，但半衰期极长(2 400年)。值得注意的是钚也能俘获任何能量的中子而裂变，并且在裂变过程中放出中子，进行链式反应。²³³U可以通过钍的同位素²³²Th和中子反应唾经两次β衰变而获得，其反应方程如下：

²³²U具有α放射性，但半衰期16万年。而²³³U也能由中子引起裂变而放出新中子。特别是₂₃²⁹⁰Th在自然界中的含量较铀为多，而且²³⁹Pu和²³⁸U以及₂₃²⁹⁰Th和²³³U具有不同的原子序数，可以用比较方便的化学方法分开，因此²³⁹Pu和²³³U是一种较浓缩铀经济得多的核燃料。
❷减速剂，又叫慢化剂。是反应堆中用来降低裂变时释放出来的快中子速度的物质。根据弹性碰撞理论，减速剂的核的质量如果愈接近中子的质量，那末，中子与它碰撞时传给它的能量将愈多。因此，一般采用轻元素作为减速剂。同时还需要考虑减速剂对中子的吸收作用愈小愈好。现在常用的减速剂有普通水、重水、石墨、聚乙烯等。铍(Be)也是一种很好的减速剂，只是因它毒性大，不常用。
❸调节控制系统。反应堆中调节控制裂变链式反应速度以保证反应堆按工作需要安全运转的装置。要维持反应堆能够输出一个稳定的功率，就要求反应堆单位时间内的裂变数保持一定。因为每一个铀核裂变释放大约200兆电子伏能量，如果每秒钟有10¹⁶个铀核裂变，则可释放3×10⁵焦耳能量，每秒钟有10¹⁷个铀核裂变，则可释放3×10⁶焦耳的能量。而链式反应进行得很快，大约1秒钟内就能产生1千代中子。如果中子的增殖系数k太大，链式反应过于激烈，可能导致温度过高而引起爆炸。因此，反应堆中必须设有调节控制系统。控制系统主要是控制棒，对它的要求是，吸收中子能力强，热稳定性及辐照稳定性好。同冷却剂相溶性好，有一定的机械强度，易于加工等。目前主要是用镉，硼或铪等或它们的化合物制成。由此控制反应堆的热功率。除控制棒外，堆中还装有保险棒，它也是由镉或硼制成的。平时位于堆外不起作用。一旦堆的工作失常时，保险棒迅速落下，使堆内链式反应很快停止。
❹热交换系统。将反应堆中核燃料裂变释放出的巨大能量及时输送到外界的设备。同时也作为反应堆的冷却系统，避免反应堆过热而毁灭。完成热交换的主要物质叫载热剂。优良的载热剂必须是不易吸收中子、比热大、沸点较高且能兼作减速剂的液体，常用普通水，重水或液态金属钠作载热剂。
❺防护层。防止中子和放射性物质及射线泄漏，保护人身安全的屏蔽措施。快中子一般用慢化剂使其变为慢中子，然后用一般材料就可以实现对慢中子的屏蔽；对γ射线的屏蔽必须用重元素材料，铅是最好的，但很贵，所以一般反应堆用掺有铁矿石的混凝土或用较厚的混凝土作屏蔽层。屏蔽层的厚度决定于反应堆的功率，有时达3～4米以上。
原子核反应堆主要有非均匀反应堆，均匀反应堆，增殖反应堆等几种类型。
反应堆的建立不论在原子能的和平利用方面，还是在原子核物理的研究发展方面都有很大的作用。综合地说，有下列几种用途：
❶获得原子能，作为动力工业的能源；
❷堆中产生大量中子，作为中子源可供原子核物理学的各种研究工作之用；
❸利用堆中的中子制备各种放射性同位素；
❹利用反应堆生产新的核燃料²³⁹Pu和²³³U。
从费米领导的小组于1942年12月2日在美国建成世界上第一座核反应堆开始，半个世纪以来，核反应堆从堆型的研究到进入实用（原子能发电站），已普遍受到各国重视。原子能的利用是20世纪最激动人心的科学成就。

原子核反应堆

又称“核反应堆”、“反应堆”，简称“堆”。含有相当数量的核裂变物质(如铀、钚、钍等)，并组合成使核裂变的链式反应能够有控制地持续进行，以获取能量并且形成强大的中子源的装置。按不同目的和要求，反应堆有多种型式。

原子核反应堆

nuclear reactor