大學裡的核反應堆,一兆瓦運行發出「超光速」的幽幽藍光

全球華人資訊聯盟     2017-05-17     檢舉

 

核反應堆(英語:nuclear reactor)是一種啟動、控制並維持核裂變核聚變鏈式反應的裝置。相對於核武爆炸瞬間所發生的失控鏈式反應,在反應堆之中,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。

核反應堆有許多用途,當前最重要的用途是產生熱能,用以代替其他燃料加熱,產生蒸汽發電或驅動航空母艦等設施運轉。一些反應堆被用來生產為醫療和工業用途的同位素,或用於生產武器級。一些反應堆運行僅用於研究。當前全部商業核反應堆都是基於核裂變的。今天,在世界各地的大約30個國家裡有被用於發電的大約450個核反應堆。

 

 

 

工作原理

大學裡的核反應堆,一兆瓦運行發出「超光速」的幽幽藍光

 

誘發裂變. 一個中子被U235吸收,形成一個處於激發態的U236,U236不穩定,裂變為兩個輕核,並放出2-3個中子。反應堆的裂變反應原理和原子彈的原理一樣,都是鏈式反應。但是在反應堆里,核子反應速率較慢。

和傳統的熱電站利用燃燒化石燃料釋放熱能一樣,核電站是由受到控制的核裂變釋放的能量轉換為熱能,進而轉化為機械的和電子的能源形式。

核裂變

 

當一個原子數較高的核子(例如U-235或Pu-239)吸收一個中子,會形成一個激發態的核子,然後裂變為兩個或更多個輕核。釋放出動能,伽瑪射線和若干個中子,統稱為裂變產物。其中有些中子可能被下一個重核吸收,引發下一個裂變反應,釋放出更多的中子,依此類推。這個反應就是鏈式反應

但是動量太高的中子不容易被重核吸收,需要慢化劑來減速中子。而太多中子會使反應過快失去控制,我們可以用一些對中子吸收截面較大的核素來吸收中子抑制鏈式反應。通過中子減速劑與吸收劑,來增加和降低反應速率以控制反應堆的輸出功率。

一般常用的中子慢化劑有輕水(即H2O)(世界上75%的反應堆用輕水做慢化劑),固體石墨(20%)(車諾比電廠為著名的例子)和重水(即D2O)(5%)。在一些實驗堆中,甲烷也被用來做慢化劑。

熱能的產生

在反應堆里,熱能主要有以下幾個來源:

反應碎片通過和周圍原子的碰撞,把自身的動能傳遞給周圍的原子。

裂變反應產生的伽瑪射線被反應堆吸收,轉化為熱能。

反應堆的一些材料在中子的照射下被活化,產生一些放射性的元素。這些元素的衰變能轉化為熱能。這種衰變熱會在反應堆關閉後仍然存在一段時間。

1千克235U完全裂變得到的熱能等於3千噸煤燃燒所釋放的能量。

冷卻

在反應堆里,一般用水做冷卻劑(輕水或重水),也有用氣體,融鹽或是熔態金屬的。冷卻劑通過泵浦在堆芯里循環流動,同時把通過裂變產生的熱傳遞出來。一般的反應堆的冷卻系統和熱機是分開的,例如壓水堆。也有的反應堆,蒸氣是有反應堆直接加熱得到的,例如沸水堆。

反應堆控制

反應堆的輸出功率,或者說反應率,是通過控制堆芯內的中子密度和能量來控制的。

控制棒由熱、中子強吸收材料做成。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鏈式反應。因此,把控制棒插入堆芯,將會減慢反應速率,降低輸出功率。相反,將控制棒抽出,鏈式反應的速率將會增加,輸出功率也會增加。

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

反應堆都有自動和手動的系統來防止意外事件的發生,當出現意外事件時,將有大量的中子強吸收材料注入,使反應堆關閉。

發電

由鏈式反應釋放出的熱能通過冷卻劑傳導出來,加熱水產生水蒸氣,推動蒸汽渦輪發動機轉動發電機發電。