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裂变反应堆
fission reactor
一种实现可控核裂变链式反应的装置。在核能事业中它是最重要的装置之一。通常简称为反应堆或堆。
历史 1938年O.哈恩和F.斯特拉斯曼发出了铀的原子核裂变后，接着科学家们就开始探索如何利用核裂变所放出的巨大能量。一个铀原子核裂变时放出约200MeV的能量， 比一个碳原子氧化时放出的能量（4.1eV）大5×10□倍左右。要使裂变能有实际应用意义,必须有大量铀核裂变。铀核的裂变主要由中子引起，因此问题就归结为如何取得大量中子。由于铀核裂变后会放出几个中子，人们就想到了在成块物质中利用核裂变本身产生的中子来引起新的核裂变，使裂变反应持续进行，形成核链式反应。1942年12月，E.费密领导的科学家小组建成了世界上第一座人工的裂变反应堆（见彩图世界上第一座原子核反应堆的堆芯1942年建于美国芝加哥），首次实现了可控核裂变链式反应。接着美国首先利用反应堆把铀－238转化为钚－239,作为原子弹的装料,制成了钚原子弹，后来又用反应堆作为动力源建成了核潜艇。20世纪40年代和50年代，反应堆主要为军事目的服务。从50年代中期起，世界上大量建造用于各种研究工作的反应堆，同时开始建立把反应堆用来发电的核电站。核电站的燃料资源丰富，经济性好，燃料用量很小，优点很多。60年代中期起,许多国家已在大力发展核电站,或称发展核动力。这以后的十几年中，核动力的发展很快。截至1984年中期，世界上已有281座核电站在运行,总功率达1.8×10□kW。
工作原理 裂变链式反应 自持的裂变反应叫做裂变链式反应。例如铀-235的核吸收一个中子后发生裂变，又放出两三个中子,除去消耗,至少还有一个中子能引起另一个铀-235核发生裂变，使裂变自持地进行下去。核裂变链式反应的进行过程基本上是一个以中子为媒介的，裂变核素部分质量转化为能量的过程。
在反应堆内产生核链式反应的物质称为核燃料，又称裂变材料。只有能大量获得，且易吸收热中子并引起裂变的核素才能作为核燃料。这种核素有铀-235、铀-233和钚-239三种。只有铀-235存在于天然铀中，而铀-233和钚－239都要靠反应堆生产。
用反应堆产生核能，需要解决以下几个问题：①为核裂变链式反应提供必要的条件，使链式反应持续进行，并能把反应中产生的能量取出来应用；②能控制链式反应，使其按工作需要进行；③避免核裂变链式反应所产生的中子或放射性物质危害工作人员和附近居民的身体健康。
在反应堆内，中子只有三种归宿：引起裂变、被吸收或逸出堆外。要实现核链式反应，就必须设法减少后两种损失。铀－235是奇□核，结合能小，俘获中子后形成的复合核裂变势垒较低，任何能量的中子都可使它裂变,且对热中子有很大的裂变截面;铀－238是偶偶核,结合能较大，复合核裂变势垒较高，只有能量超过1MeV的高能中子才能使它裂变，而且裂变截面不大。高能中子同铀－238核的主要作用是非弹性散射,大部分裂变中子都通过非弹性散射降低能量,再在多次碰撞中被铀－238核吸收，不能实现核链式反应。天然铀的主要成分是铀－238，而铀－235仅占0.71％，要利用天然铀实现核链式反应有两种途径：①用分离同位素的方法增加天然铀中铀－235的浓度，称浓缩铀或浓集铀。这样处理后,甚至用比较小的装置也能实现核链式反应，这种反应堆中引起裂变反应的中子能量可以高一些，因此能建成快中子反应堆；②将天然铀或低浓集铀制成较细的棒，插在减速剂(通常用吸收中子截面较小的,如水、重水和石墨等轻物质)中,使核裂变放出的高能中子很快减速到热能区，而铀-235热中子裂变 |