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裂變反應堆
fission reactor
一種實現可控核裂變鏈式反應的裝置。在核能事業中它是最重要的裝置之一。通常簡稱為反應堆或堆。
歷史 1938年O.哈恩和F.斯特拉斯曼發出了鈾的原子核裂變後，接着科學家們就開始探索如何利用核裂變所放出的巨大能量。一個鈾原子核裂變時放出約200MeV的能量， 比一個碳原子氧化時放出的能量（4.1eV）大5×10□倍左右。要使裂變能有實際應用意義,必須有大量鈾核裂變。鈾核的裂變主要由中子引起，因此問題就歸結為如何取得大量中子。由於鈾核裂變後會放出幾個中子，人們就想到了在成塊物質中利用核裂變本身産生的中子來引起新的核裂變，使裂變反應持續進行，形成核鏈式反應。1942年12月，E.費密領導的科學家小組建成了世界上第一座人工的裂變反應堆（見彩圖世界上第一座原子核反應堆的堆芯1942年建於美國芝加哥），首次實現了可控核裂變鏈式反應。接着美國首先利用反應堆把鈾－238轉化為鈈－239,作為原子彈的裝料,製成了鈈原子彈，後來又用反應堆作為動力源建成了核潛艇。20世紀40年代和50年代，反應堆主要為軍事目的服務。從50年代中期起，世界上大量建造用於各種研究工作的反應堆，同時開始建立把反應堆用來發電的核電站。核電站的燃料資源豐富，經濟性好，燃料用量很小，優點很多。60年代中期起,許多國傢已在大力發展核電站,或稱發展核動力。這以後的十幾年中，核動力的發展很快。截至1984年中期，世界上已有281座核電站在運行,總功率達1.8×10□kW。
工作原理 裂變鏈式反應 自持的裂變反應叫做裂變鏈式反應。例如鈾-235的核吸收一個中子後發生裂變，又放出兩三個中子,除去消耗,至少還有一個中子能引起另一個鈾-235核發生裂變，使裂變自持地進行下去。核裂變鏈式反應的進行過程基本上是一個以中子為媒介的，裂變核素部分質量轉化為能量的過程。
在反應堆內産生核鏈式反應的物質稱為核燃料，又稱裂變材料。衹有能大量獲得，且易吸收熱中子並引起裂變的核素才能作為核燃料。這種核素有鈾-235、鈾-233和鈈-239三種。衹有鈾-235存在於天然鈾中，而鈾-233和鈈－239都要靠反應堆生産。
用反應堆産生核能，需要解决以下幾個問題：①為核裂變鏈式反應提供必要的條件，使鏈式反應持續進行，並能把反應中産生的能量取出來應用；②能控製鏈式反應，使其按工作需要進行；③避免核裂變鏈式反應所産生的中子或放射性物質危害工作人員和附近居民的身體健康。
在反應堆內，中子衹有三種歸宿：引起裂變、被吸收或逸出堆外。要實現核鏈式反應，就必須設法減少後兩種損失。鈾－235是奇□核，結合能小，俘獲中子後形成的復合核裂變勢壘較低，任何能量的中子都可使它裂變,且對熱中子有很大的裂變截面;鈾－238是偶偶核,結合能較大，復合核裂變勢壘較高，衹有能量超過1MeV的高能中子才能使它裂變，而且裂變截面不大。高能中子同鈾－238核的主要作用是非彈性散射,大部分裂變中子都通過非彈性散射降低能量,再在多次碰撞中被鈾－238核吸收，不能實現核鏈式反應。天然鈾的主要成分是鈾－238，而鈾－235僅占0.71％，要利用天然鈾實現核鏈式反應有兩種途徑：①用分離同位素的方法增加天然鈾中鈾－235的濃度，稱濃縮鈾或濃集鈾。這樣處理後,甚至用比較小的裝置也能實現核鏈式反應，這種反應堆中引起裂變反應的中子能量可以高一些，因此能建成快中子反應堆；②將天然鈾或低濃集鈾製成較細的棒，插在減速劑(通常用吸收中子截面較小的,如水、重水和石墨等輕物質)中,使核裂變放出的高能中子很快減速到熱能區，而鈾-235熱中子裂變 |