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核反應堆(英語:Nuclear Reactor),又稱原子反應堆或反應堆,是裝配了核燃料以實現大規模可控制裂變鏈式反應的裝置,是一種啟動、控制並維持核裂變或核聚變鏈式反應的裝置。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。

1 核反應堆 -簡介

核反應堆核反應堆發電廠內部

核反應堆,是一種啟動、控制並維持核裂變或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,最重要的用途是產生熱能,用以代替其他燃料,產生蒸汽發電或驅動航空母艦等設施運轉。當前(截至2011年)全部商業核反應堆都是基於核裂變的,其裂變產物可以生產核武器之中使用的鈈。

2 核反應堆 -研發歷史

人類歷史上公認的第一個核反應堆是由恩里科·費米於1942年在芝加哥大學負責設計建造的Chicago Pile-1;該核反應堆輸出功率僅為0.5W。

1954年,蘇聯建成了世界上第一座純民用的AM-1 Obninsk 原子能發電站,裝機容量為5百萬瓦。

1960年,美國製造8座輸出達2 MW的攜帶型核子反應爐Alco PM-2A供應該國陸軍在格陵蘭的Camp Century計劃使用。

1972年,法國工人們在非洲加彭的奧克洛(Oklo)地區發現了輸出達100kW的遠達20億年前天然形成的核子反應堆。

3 核反應堆 -工作原理

核裂變
核反應堆核反應堆發電廠內部

當一個原子數較高的核子(例如U-235或Pu-239)吸收一個中子時會形成一個激發態的核子,然後裂變為兩個或更多個輕核。釋放出的動能、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,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%)。在一些實驗堆中,甲烷和Be也被用來做慢化劑。

 

核反應堆伽瑪射線-內部結構模型圖

 

核子(含中子 ,質子)-內部結構模型圖核子(含中子 ,質子)-內部結構模型圖
熱能的產生

在反應堆里,熱能主要有以下幾個來源:

1.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。

2.裂變反應產生的伽瑪射線被反應堆吸收,轉化為熱能。

3.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后仍然存在一段時間。

4.1千克U235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
核反應堆核反應堆發電廠外部

在反應堆里,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,蒸氣是由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能量通過冷卻劑傳導出來,加熱水,產生蒸氣,推動發電機發電。

4 核反應堆 -分類

按用途分

動力核反應堆
研究核反應堆
生產核反應堆(快滋生反應器)

核反應堆核反應堆圖釋
按反應堆慢化劑和冷卻劑分

輕水堆(壓水反應堆、沸水反應堆):輕水型反應堆使用相對分子質量為18的輕水作為慢化劑和冷卻劑。
重水堆:重水堆可按結構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,後者卻可用重水、輕水、氣體等物質做冷卻劑。
石墨氣冷堆
石墨液冷堆

按反應堆中中子的速度分

熱中子堆
快中子堆

5 核反應堆 -主要用途

1、將中子束用於實驗或利用中子束的核反應,包括研究堆、材料實驗等。

2、生產放射性同位素的核反應堆。

3、生產核裂變物質的核反應堆,稱為生產堆。

4、提供取暖、海水淡化、化工等用的熱量的核反應堆,比如多目的堆。

5、為發電而發生熱量的核反應,稱為發電堆。

6、用於推進船舶、飛機、火箭等到的核反應堆,稱為推進堆。

6 核反應堆 -新聞事件

核反應堆核反應堆技術

2011年3月日本大地震和海嘯引發福島核危機后,德國決定在2022年之前逐步廢除核能發電,並關閉了其17座核反應堆中的8座,但其中5座被關閉的反應堆仍被留作後備供電源,以防意外情況導致其它能源無法滿足供電需求。

2012年2月9日,美國核管理委員會時隔30年首次批准運營兩座新建商用核反應堆。這座核電站位於喬治亞州,由美國西屋電氣公司設計,最快2016年和2017年分別投入運行,項目造價合計140億美元。

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