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核反應(yīng)堆
實(shí)現(xiàn)核能利用的裝置
核反應(yīng)堆，又稱為原子能反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是能維持可控自持鏈?zhǔn)?/span>核裂變反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)核能利用的裝置。核反應(yīng)堆通過合理布置核燃料，使得在無需補(bǔ)加中子源的條件下能在其中發(fā)生自持鏈?zhǔn)?/span>核裂變過程。嚴(yán)格來說，反應(yīng)堆這一術(shù)語應(yīng)覆蓋裂變堆、聚變堆、裂變混合堆，但一般情況下僅指裂變堆。
人類第一臺(tái)核反應(yīng)堆由美國籍意大利著名物理學(xué)家恩利克·費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)的小組于1942年12月（曼哈頓計(jì)劃期間）在世界頂級(jí)學(xué)府芝加哥大學(xué)建成，命名為芝加哥一號(hào)堆（Chicago Pile-1）。該反應(yīng)堆是采用鈾裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，開啟了人類原子能時(shí)代，芝加哥大學(xué)也因此成為人類“原子能誕生地”。
基本信息
| 中文名 | 核反應(yīng)堆 |
| 外文名 | Nuclear Reactor |
| 別名 | 原子能反應(yīng)堆或反應(yīng)堆 |
| 原理 | 可控自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng) |
| 所屬學(xué)科 | 核化學(xué) |
| 主要構(gòu)成物質(zhì) | 原子 |
| 領(lǐng)域 | 核能 |
收起
歷史沿革
早在1929年，科克羅夫特就利用質(zhì)子成功地實(shí)現(xiàn)了原子核的變換。但是，用質(zhì)子引起核反應(yīng)需要消耗非常多的能量，使質(zhì)子與目標(biāo)的原子核碰撞命中的機(jī)會(huì)也非常之少。
1938年，德國人奧托·哈恩和休特洛斯二人成功地使中子和鈾原子發(fā)生了碰撞。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有著非常重大的意義，它不僅使鈾原子簡單地發(fā)生了分裂，而且裂變后總的質(zhì)量減少，同時(shí)放出能量。尤其重要的是鈾原子裂變時(shí)，除裂變碎片之外還射出2至3個(gè)中子，這個(gè)中子又可以引起下一個(gè)鈾原子的裂變，從而發(fā)生連鎖反應(yīng)。
1939年1月，用中子引起鈾原子核裂變的消息傳到費(fèi)米的耳朵里，當(dāng)時(shí)他已逃亡到美國哥倫比亞大學(xué)，費(fèi)米不愧是個(gè)天才科學(xué)家，他一聽到這個(gè)消息，馬上就直觀地設(shè)想了原子反應(yīng)堆的可能性，開始為它的實(shí)現(xiàn)而努力。費(fèi)米組織了一支研究隊(duì)伍，對(duì)建立原子反應(yīng)堆問題進(jìn)行徹底的研究。費(fèi)米與助手們一起，經(jīng)常通宵不眠地進(jìn)行理論計(jì)算，思考反應(yīng)堆的形狀設(shè)計(jì)，
1942年12月2日曼哈頓計(jì)劃期間，費(fèi)米的研究組人員全體集合在美國芝加哥大學(xué)Stagger Field 的一個(gè)巨大石墨型反應(yīng)堆前面。這時(shí)由費(fèi)米發(fā)出信號(hào)，緊接著從那座埋沒在石墨之間的7噸鈾燃料構(gòu)成的巨大反應(yīng)堆里，控制棒緩慢地被拔了出來，隨著計(jì)數(shù)器發(fā)出了咔嚓咔嚓的響聲，到控制棒上升到一定程度，計(jì)數(shù)器的聲音響成了一片，這說明連鎖反應(yīng)開始了。這是人類第一次釋放并控制了原子能的時(shí)刻，這個(gè)反應(yīng)堆被命名為“芝加哥一號(hào)堆"（Chicago Pile-1）。
1954年前蘇聯(lián)建成世界上第一座原子能發(fā)電站利用濃縮鈾作燃料，采用石墨水冷堆，電輸出功率為5000千瓦。1956年，英國也建成了原子能電站。原子能電站的發(fā)展并非一帆風(fēng)順，不少人對(duì)核電站的放射性污染問題感到憂慮和恐懼，因此出現(xiàn)了反核電運(yùn)動(dòng)。其實(shí)，在嚴(yán)格的科學(xué)管理之下，原子能是安全的能源。原子能發(fā)電站周圍的放射性水平，同天然本底的放射性水平實(shí)際并沒有多大差別。
1979年3月，美國三里島原子能發(fā)電站由于操作錯(cuò)誤和設(shè)備失靈，造成了原子能開發(fā)史上空前未有的嚴(yán)重事故。然而，由于反應(yīng)堆的停堆系統(tǒng)、應(yīng)急冷卻系統(tǒng)和安全殼等安全措施發(fā)揮了作用，結(jié)果放射性外逸量微乎其微，人和環(huán)境沒有受到什么影響，充分說明現(xiàn)代科技的發(fā)展已能保證原子能的安全利用。
理論研究
20億年前，在非洲奧克羅班多地區(qū)的十幾座天然核反應(yīng)堆神秘啟動(dòng)，穩(wěn)定地輸出能量，并安全運(yùn)轉(zhuǎn)了幾十萬年之久。為什么它們沒有在爆炸中自我摧毀？是誰保證了這些核反應(yīng)的安全運(yùn)行？莫非它們真的如世間的傳言那樣，是外星人造訪的證據(jù)，或者是上一代文明的杰作？通過對(duì)遺跡抽絲剝繭地分析，遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆的真相正越來越清晰地暴露在我們面前。
1972年5月，法國一座核燃料處理廠的一名工人
注意到了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)他正對(duì)一塊鈾礦石進(jìn)行常規(guī)分析，這塊礦石采自一座看似普通的鈾礦。與所有的天然鈾礦一樣，該礦石含有3種鈾同位素──換句話說，其中的鈾元素以3種不同的形態(tài)存在，它們的原子量各不相同：含量最豐富的是鈾238；最稀少的是鈾234；而令人們垂涎三尺，能夠維持核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(chain reaction)的同位素，則是鈾235。在地球上幾乎所有的地方，甚至在月球上或隕石中，鈾235同位素的原子數(shù)量在鈾元素總量中占據(jù)的比例始終都是0.720%。不過，在這些采自非洲加蓬的礦石樣品中，鈾235的含量僅有0.717%！盡管差異如此細(xì)微，卻引起了法國科學(xué)家的警惕，這其中一定發(fā)生過某種怪事。進(jìn)一步的分析顯示，從該礦采來的一部分礦石中，鈾235嚴(yán)重缺斤短兩：大約有200千克不翼而飛——足夠制造6枚原子彈。
核反應(yīng)堆理論研究
黑田和夫認(rèn)為，自持裂變反應(yīng)能夠發(fā)生的第一個(gè)條件就是，鈾礦礦脈的大小必須超過誘發(fā)裂變的中子在礦石中穿行的平均距離，也就是0.67米左右。這個(gè)條件可以保證，裂變的原子核釋放的中子在逃離礦脈之前，就能被其他鈾原子核吸收。
第二個(gè)必要條件是，鈾235必須足夠豐富。今天，即使是儲(chǔ)量最大、濃度最高的鈾礦礦脈也無法成為一座核反應(yīng)堆，因?yàn)殁?35的濃度過低，甚至連1%都不到。不過這種同位素具有放射性，它的衰變速率比鈾238快大約6倍，因此在久遠(yuǎn)地過去，這種更容易衰變的同位素所占的比例肯定高得多。例如，20億年前奧克羅鈾礦脈形成的時(shí)候，鈾235所占的比例接近3%，與當(dāng)前大多數(shù)核電站中使用的、人工提純的濃縮鈾燃料的濃度大致相當(dāng)。
第三個(gè)重要因素是，必須存在某種中子“慢化劑”(moderator)，減慢鈾原子核裂變時(shí)釋放的中子的運(yùn)動(dòng)速度，從而使這些中子在誘使鈾原子核分裂時(shí)，更加得心應(yīng)手。最終，礦脈中不能出現(xiàn)大量的硼、鋰或其他“毒素”，這些元素會(huì)吸收中子，因此可以令任何核裂變反應(yīng)戛然而止。
最終，研究人員在奧克羅和鄰近的奧克羅班多地區(qū)的鈾礦中，確定了16個(gè)相互分離的區(qū)域——20億年前，那里的真實(shí)環(huán)境，居然與黑田和夫描繪的大致情況驚人地相似。盡管這些區(qū)域早在幾十年前就被全部辨認(rèn)出來，但是遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)過程的種種細(xì)節(jié)，直到才被我和同事徹底揭開。
氫元素提供證據(jù)
重元素分裂產(chǎn)生的氫元素提供了確鑿無疑的證據(jù)：奧克羅鈾礦在20億年前確實(shí)發(fā)生過自持核裂變反應(yīng)，而且持續(xù)時(shí)間長達(dá)數(shù)十萬年。
奧克羅的鈾異常情況被發(fā)現(xiàn)之后不久，物理學(xué)家就確定，天然的裂變反應(yīng)導(dǎo)致了鈾235的損耗。一個(gè)重原子核一分為二時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較輕的新元素。找到這些元素，就等于找到了核裂變確鑿無疑的證據(jù)。事實(shí)證明，這些分裂產(chǎn)物的含量如此之高，因此除了核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以外，不可能存在其他任何解釋。這場(chǎng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)很像1942年恩里科·費(fèi)米(Enrico Fermi)及其同事所做的那場(chǎng)著名演示(當(dāng)時(shí)他們建成了世界上第一座可控原子核裂變鏈反應(yīng)堆)，反應(yīng)全靠自己的力量維持運(yùn)轉(zhuǎn)，只是時(shí)間上提早了20億年。
如此令人震驚的發(fā)現(xiàn)公布后不久，世界各地的物理學(xué)家便開始研究這些天然核反應(yīng)堆的證據(jù)，并在1975年加蓬首都利伯維爾的一次特別會(huì)議上，分享了他們關(guān)于“奧克羅現(xiàn)象”的研究成果。第二年，代表美國出席那次會(huì)議的喬治·A·考恩(George A. Cowan，順便提及，他是美國著名的圣菲研究所的創(chuàng)建者之一，至今仍是該研究所的成員)為《科學(xué)美國人》撰寫了一篇文章(參見1976年7月號(hào)喬治·A·考恩所著《天然核裂變反應(yīng)堆》一文)，文中他講解了當(dāng)時(shí)的科學(xué)家對(duì)這些遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆運(yùn)行原理的猜測(cè)。
比如，考恩描述了钚239的形成過程——數(shù)量更加豐富的鈾238捕獲了鈾235裂變釋放的一些中子，轉(zhuǎn)變?yōu)殁?39，然后再釋放出兩個(gè)電子，轉(zhuǎn)化成钚239。在奧克羅鈾礦中，曾經(jīng)產(chǎn)生過超過兩噸的钚239。不過這種同位素后來幾乎全都消失了(主要是通過天然的放射性衰變，钚239的半衰期為2.4萬年)，一些钚自身也經(jīng)歷了裂變，它所特有的裂變產(chǎn)物證明了這一點(diǎn)。這些輕元素豐富的含量讓科學(xué)家推測(cè)，裂變反應(yīng)一定持續(xù)了幾十萬年之久。根據(jù)鈾235消耗的數(shù)量，他們計(jì)算出了反應(yīng)堆釋放的總能量，大概相當(dāng)于1,500萬千瓦的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)一整年所消耗的能量；再結(jié)合一些其他的證據(jù)，就能推算出反應(yīng)堆的平均輸出功率：不超過100千瓦，足夠維持幾十只烤箱的運(yùn)作。
十幾座天然反應(yīng)堆自發(fā)工作，并維持著適度的功率輸出，運(yùn)轉(zhuǎn)了大約幾十萬年之久，這確實(shí)令人驚嘆。為什么這些礦脈沒有發(fā)生爆炸，沒有在核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)啟動(dòng)后立即自我摧毀？是什么機(jī)制使它們擁有了必不可少的自我調(diào)節(jié)能力？這些反應(yīng)堆是穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，還是間歇式發(fā)作？自奧克羅現(xiàn)象最初發(fā)現(xiàn)以來，這些問題遲遲得不到解答。實(shí)際上，最后一個(gè)問題困擾了人們長達(dá)30年之久，直到我和我在美國華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的同事檢測(cè)了一塊來自這個(gè)神秘非洲鈾礦的礦石之后，謎底才被逐漸揭開。
惰性氣體揭露謎底
在奧克羅反應(yīng)堆遺跡中，氙同位素的構(gòu)成比例出現(xiàn)異常。找出這種異常的根源，就能揭開遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆的運(yùn)作之謎。
奧克羅的一個(gè)反應(yīng)堆遺跡進(jìn)行了研究，重點(diǎn)集中在對(duì)氙氣的分析方面。氙是一種較重的惰性氣體(inert gas)，可以被礦物封存數(shù)十億年之久。氙有9種穩(wěn)定同位素，由不同的核反應(yīng)過程產(chǎn)生，含量各不相同。作為一種惰性氣體，它很難與其他元素形成化學(xué)鍵，因此很容易將它們提純，進(jìn)行同位素分析。氙的含量非常稀少，科學(xué)家可以用它來探測(cè)和追溯核反應(yīng)，甚至用來研究那些發(fā)生于太陽系形成之前的、原始隕石之中的核反應(yīng)。
分析氙的同位素成分需要一臺(tái)質(zhì)譜儀(mass spectrometer)，它可以根據(jù)原子量(atomic weight)的不同而分離出不同的原子。我有幸可以使用一臺(tái)極其精確的氙質(zhì)譜儀，那是我在華盛頓大學(xué)的同事查爾斯·M·霍恩貝格(Charles M. Hohenberg)制造的。不過在使用他的儀器之前，我們必須先把氙氣從樣品中提取出來。通常，科學(xué)家只須將寄主礦物加熱到它的熔點(diǎn)以上，巖石就會(huì)失去晶體結(jié)構(gòu)，無法再保留內(nèi)部儲(chǔ)藏的氙氣。為了獲得更多關(guān)于這種氣體起源和封存過程的信息，我們采取了一種更加精巧的方法——激光萃取法(laser extraction)，它可以有針對(duì)性地從礦物樣品的個(gè)別顆粒中釋放出氙氣，而不會(huì)觸碰周圍其他的部分。
我們可以利用的唯一一塊奧克羅礦石碎塊僅有1毫米厚、4毫米寬，我們把這種技術(shù)應(yīng)用到碎塊上的許多微小斑點(diǎn)之上。當(dāng)然，我們首先需要決定將激光束聚焦到什么位置。在這方面，我和霍恩貝格得到了同事奧爾加·普拉夫迪夫切娃(Olga Pravdivtseva)的鼎力相助，她為我們的樣本拍攝了一張?jiān)敱M的X射線照片，識(shí)別出了候選的礦物。每次萃取之后，我們都會(huì)將得到的氣體提純，然后把氙氣放入霍恩貝格的質(zhì)譜儀中，儀器會(huì)顯示出每一種同位素的原子數(shù)目。
氙氣出現(xiàn)的位置令我們大吃一驚，它并不像我們想象的那樣，大量分布在富含鈾元素的礦物顆粒之中，儲(chǔ)藏氙氣數(shù)量最多的竟然是根本不含鈾元素的磷酸鋁顆粒。非常明顯，在發(fā)現(xiàn)的所有天然礦物之中，這些顆粒中的氙濃度是最高的。第二個(gè)令人驚訝之處在于，與通常由核反應(yīng)產(chǎn)生的氣體相比，萃取出來的氣體在同位素組成上有顯著的不同。核裂變一定會(huì)產(chǎn)生氙136和氙134，但在奧克羅礦石中，這兩種同位素似乎缺失嚴(yán)重，而其他較輕的氙同位素含量則變化不大。
同位素構(gòu)成比例上的這種差異是如何產(chǎn)生的呢？化學(xué)反應(yīng)無法提供答案，因?yàn)樗型凰氐幕瘜W(xué)性質(zhì)都完全相同。那么核反應(yīng)，比如說中子俘獲過程(neutron capture)，能不能給出解釋呢？經(jīng)過仔細(xì)分析，我和同事們把這種可能性也排除了。我們還考慮過不同同位素的物理分選過程：較重的原子移動(dòng)速度比較輕的原子稍慢一些，有時(shí)它們就會(huì)相互分離開來。鈾濃縮裝置就是利用這個(gè)過程來生產(chǎn)反應(yīng)堆燃料的，不過需要相當(dāng)高的技術(shù)水平才能建造出這樣的工業(yè)設(shè)備。即使自然界能夠奇跡般地在微觀尺度上創(chuàng)造出類似的“裝置”，仍然無法解釋我們所研究的磷酸鋁顆粒中混合在一起的氙同位素比例。舉例來說，如果確實(shí)發(fā)生過物理分選的話，考慮到現(xiàn)有的氙132的含量，氙136(比氙132重4個(gè)原子質(zhì)量單位)的缺失，應(yīng)該是氙134(比氙132重2個(gè)原子質(zhì)量單位)的兩倍。但實(shí)際上，我們并沒有看到那樣的模式。
絞盡腦汁之后，我們終于想通了產(chǎn)生氙同位素構(gòu)成比例異常的原因。我們所測(cè)量的所有氙同位素都不是鈾裂變的直接產(chǎn)物。相反，它們是放射性碘同位素衰變的產(chǎn)物，碘則由放射性碲衰變而來，而碲又由別的元素衰變產(chǎn)生，這是一個(gè)著名的核反應(yīng)序列，最終的產(chǎn)物才是穩(wěn)定的氙氣。
我們的突破點(diǎn)在于，我們意識(shí)到奧克羅樣品中不同的氙同位素產(chǎn)生于不同的時(shí)期，它們所遵循的時(shí)間表由它們的母元素碘和再上一代的元素碲的半衰期所決定。某種特定的放射性前體(precursor，即一系列反應(yīng)過程的中間產(chǎn)物)存在的時(shí)間越長，它們形成氙的過程就被拖延得越久。例如，在奧克羅的自持裂變反應(yīng)開始后，氙136僅過了大約1分鐘就開始生成；一個(gè)小時(shí)后，稍輕一些的穩(wěn)定同位素氙134出現(xiàn)；接下來，在裂變開始的若干天后，氙132和氙131登場(chǎng)亮相；最終，幾百萬年之后，氙129才得以形成——此時(shí)，核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)早已停止很久了。
如果奧克羅礦脈一直處于封閉狀態(tài)，那么在它的天然反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)期間積聚起來的氙氣，就會(huì)保持核裂變所產(chǎn)生的正常同位素比例，并一直保存至今。但是，科學(xué)家沒有理由認(rèn)為，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)是封閉的。實(shí)際上，有充分的原因讓人猜想，它不是封閉的。奧克羅反應(yīng)堆可以通過某種方式自行調(diào)節(jié)核反應(yīng)，這個(gè)簡單的事實(shí)提供了間接的證據(jù)。最可能的調(diào)節(jié)機(jī)制與地下水的活動(dòng)有關(guān)：當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，水會(huì)被煮沸蒸發(fā)掉。水在核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中起到了中子慢化劑的作用，如果水不見了，核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就會(huì)暫時(shí)停止。只有當(dāng)溫度下降，足夠的地下水再次滲入之后，反應(yīng)區(qū)域才會(huì)繼續(xù)開始發(fā)生裂變。
這種關(guān)于奧克羅反應(yīng)堆如何運(yùn)轉(zhuǎn)的說法強(qiáng)調(diào)了兩個(gè)要點(diǎn)：第一，核反應(yīng)很可能以某種方式時(shí)斷時(shí)續(xù)地發(fā)生；第二，必定有大量的水流過這些巖石——足夠沖洗掉一些氙的前體，比如可溶于水的碲和碘。水的存在有助于解釋這樣一個(gè)問題：為什么大多數(shù)氙當(dāng)前留存于磷酸鋁顆粒中，而沒有出當(dāng)前富含鈾元素的礦物里——要知道，裂變反應(yīng)最初是在這里生成那些放射性前體的。氙氣不會(huì)簡單地從一組早已存在的礦物中遷移到另一組礦物里——在奧克羅反應(yīng)堆開始運(yùn)轉(zhuǎn)之前，磷酸鋁礦物很可能還不存在。實(shí)際上，那些磷酸鋁顆粒可能是就地形成的，一旦被核反應(yīng)加熱的水冷卻到300℃左右，磷酸鋁顆粒就會(huì)形成。
在奧克羅反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)的每個(gè)活躍期和隨后溫度仍然很高的一段時(shí)間里，大量的氙氣(包括形成速度相對(duì)較快的氙136和氙134)會(huì)被趕走。等到反應(yīng)堆冷卻時(shí)，半衰期更長的氙前體(也就是最后會(huì)產(chǎn)生含量比較豐富的氙132、氙131和氙129的放射性前體)則會(huì)優(yōu)先與正在形成的磷酸鋁顆粒結(jié)合起來。隨著更多的水回到反應(yīng)區(qū)域，中子被適當(dāng)?shù)芈?，裂變反?yīng)再度恢復(fù)，使這種加熱和冷卻的循環(huán)周而復(fù)始地重復(fù)下去。由此產(chǎn)生的結(jié)果，就是我們所觀察到的、奇特的氙同位素構(gòu)成比例。
什么力量能讓氙氣在磷酸鋁礦物中留存20億年之久呢？再進(jìn)一步，為什么在某次反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生的氙氣，沒有在下一次運(yùn)轉(zhuǎn)期間被清除呢？對(duì)于這些問題，我們還沒有找到確切的答案。據(jù)推測(cè)，氙可能被囚禁在磷酸鋁礦物的籠狀結(jié)構(gòu)中，這種結(jié)構(gòu)即使在很高的溫度下，也能夠容納籠中產(chǎn)生的氙氣。盡管具體細(xì)節(jié)仍不清楚，但不管最終的答案如何，有一點(diǎn)是明確無誤的：磷酸鋁俘獲氙氣的能力真是令人驚嘆。
間歇式核反應(yīng)堆
遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆猶如今天的間歇泉，有著天然形成的自我調(diào)節(jié)機(jī)制。它們?cè)?/span>核廢料處置和基礎(chǔ)物理研究方面，給科學(xué)家們提供了全新的思路。
在搞清了觀測(cè)到的氙同位素在磷酸鋁中產(chǎn)生的基本過程之后，我和我的同事們?cè)噲D從數(shù)學(xué)上為這個(gè)過程建立一個(gè)模型。這個(gè)計(jì)算揭示了有關(guān)反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的更多信息，所有的氙同位素都提供了大致相同的答案。我們研究的那個(gè)奧克羅反應(yīng)堆每次“開啟”30分鐘，然后再“關(guān)閉”至少2.5小時(shí)。這樣的模式猶如我們所看到的一些間歇泉，先是緩慢地加熱，然后在一場(chǎng)壯觀的噴發(fā)中將積蓄的地下水統(tǒng)統(tǒng)蒸騰而出，接著再重新蓄水，開始新一輪循環(huán)，日復(fù)一日、年復(fù)一年地持續(xù)下去。這種相似性支持了這樣的觀點(diǎn)：流經(jīng)奧克羅礦脈的地下水不僅充當(dāng)著中子慢化劑的角色，還不時(shí)會(huì)被蒸發(fā)殆盡，形成保護(hù)這些天然反應(yīng)堆不至于自我摧毀的調(diào)節(jié)機(jī)制。在這方面，這種調(diào)節(jié)機(jī)制十分有效，數(shù)十萬年間沒有發(fā)生一次熔毀或爆炸事件。
人們大概會(huì)設(shè)想，從事核電工業(yè)的工程師也許能在奧克羅學(xué)到一兩樣本事。他們確實(shí)能學(xué)到東西，不過不一定是有關(guān)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的，更重要的也許是處置核廢料的方法。畢竟，奧克羅就像一個(gè)地質(zhì)儲(chǔ)藏室那樣運(yùn)轉(zhuǎn)了如此漫長的時(shí)間，這就是科學(xué)家要細(xì)致入微地進(jìn)行調(diào)查的原因，他們想知道裂變的各種產(chǎn)物如何從這些天然核反應(yīng)堆中遷移出來。他們還仔細(xì)檢查了另一處類似的遠(yuǎn)古核裂變區(qū)域，這個(gè)地點(diǎn)是通過勘探鉆井發(fā)現(xiàn)的，位于大約35千米以外的一個(gè)叫作班哥貝(Bangombe)的地方。班哥貝反應(yīng)堆之所以特別引人注目，是因?yàn)樗穆癫匚恢帽葕W克羅及奧克羅班多地區(qū)的露天鈾礦更淺，因此有更多的水流過那里?？傊?，調(diào)查得出的結(jié)論令我們信心倍增：多種危險(xiǎn)的核廢料都能夠成功地被隔離于地下。
奧克羅還演示了一種方法，能夠儲(chǔ)存那些一度被認(rèn)為肯定會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染的核廢料。自從核能發(fā)電問世以來，核電站產(chǎn)生的大量放射性氙135、氪85和其他惰性氣體，都被釋放到大氣之中。天然裂變反應(yīng)堆表明，磷酸鋁礦物擁有一種獨(dú)一無二的能力，能夠俘獲和儲(chǔ)存這些氣體廢料達(dá)幾十億年之久，把這些廢氣封存在這種礦物之中也許是可行的。
奧克羅反應(yīng)堆還向科學(xué)家們透露了這樣的訊息：他們?cè)?jīng)認(rèn)定為基本物理常數(shù)的α(阿爾法，控制著諸如光速這樣的宇宙參數(shù))，可能曾發(fā)生過改變。過去30年來，發(fā)生在20億年前的奧克羅現(xiàn)象一直被用來駁斥α曾經(jīng)發(fā)生過改變的觀點(diǎn)。但是2005年，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的史蒂文·K·拉蒙諾(Steven K. Lamoreaux)和賈斯廷·R·托格森(Justin R. Torgerson)卻根據(jù)奧克羅現(xiàn)象推斷，這一“常數(shù)”確實(shí)發(fā)生了明顯改變(而且十分奇怪的是，他們得出的常數(shù)改變方向與其他人得出的結(jié)論相反)。對(duì)于拉蒙諾和托格森的計(jì)算來說，奧克羅運(yùn)轉(zhuǎn)過程的一些細(xì)節(jié)十分關(guān)鍵，從這個(gè)角度上來講，我和我的同事們所做的工作，也許有助于闡明這個(gè)復(fù)雜的問題。
加蓬的這些遠(yuǎn)古反應(yīng)堆是地球曾經(jīng)出現(xiàn)過的唯一天然反應(yīng)堆嗎？20億年前，自持裂變所需的條件并不十分罕見，有朝一日，我們或許能夠發(fā)現(xiàn)其他的天然反應(yīng)堆。我想，一絲泄露天機(jī)的氙氣，將給這項(xiàng)搜尋工作帶來極大的幫助。
原理
核反應(yīng)堆
原子由原子核與核外電子組成。原子核由質(zhì)子與中子組成。當(dāng)鈾235的原子核受到外來中子轟擊時(shí)，一個(gè)原子核會(huì)吸收一個(gè)中子分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)放出2—3個(gè)中子。這裂變產(chǎn)生的中子又去轟擊另外的鈾235原子核，引起新的裂變。如此持續(xù)進(jìn)行就是裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生大量熱能。用循環(huán)水(或其他物質(zhì))帶走熱量才能避免反應(yīng)堆因過熱燒毀。導(dǎo)出的熱量可以使水變成水蒸氣，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。由此可知，核反應(yīng)堆最基本的組成是裂變?cè)雍?載熱體。但是只有這兩項(xiàng)是不能工作的。因?yàn)?，高速中子?huì)大量飛散，這就需要使中子慢化增加與原子核碰撞的機(jī)會(huì)；核反應(yīng)堆要依人的意愿決定工作狀態(tài)，這就要有控制設(shè)施；鈾及裂變產(chǎn)物都有強(qiáng)放射性，會(huì)對(duì)人造成傷害，因此必須有可靠的防護(hù)措施；核反應(yīng)堆發(fā)生事故時(shí)，要防止各種事故工況下輻射泄漏，所以反應(yīng)堆還需要各種安全系統(tǒng)。綜上所述，核反應(yīng)堆的合理結(jié)構(gòu)應(yīng)該是：核燃料+慢化劑+載熱體+控制設(shè)施+防護(hù)裝置+安全設(shè)施。
還需要說明的是，鈾礦石不能直接做核燃料。鈾礦石要經(jīng)過精選、碾碎、酸浸、濃縮等程序，制成有一定鈾含量、一定幾何形狀的鈾棒或者球狀燃料才能參與反應(yīng)堆工作。
類型
核反應(yīng)堆
①將中子束用于實(shí)驗(yàn)或利用中子束的核反應(yīng)，包括研究堆、材料實(shí)驗(yàn)等。
②生產(chǎn)放射性同位素的核反應(yīng)堆。
③生產(chǎn)核裂變物質(zhì)的核反應(yīng)堆，稱為生產(chǎn)堆。
④提供取暖、海水淡化、化工等用的熱量的核反應(yīng)堆，比如多目的堆。
⑤為發(fā)電而發(fā)生熱量的核反應(yīng)，稱為發(fā)電堆。
⑥用于推進(jìn)船舶、飛機(jī)、火箭等到的核反應(yīng)堆，稱為動(dòng)力堆。
另外，核反應(yīng)堆根據(jù)燃料類型分為天然鈾堆、濃縮鈾堆、釷堆；根據(jù)中子能量分為快中子堆和熱中子堆；根據(jù)冷卻劑(載熱劑)材料分為水冷堆、氣冷堆、有機(jī)液冷堆、液態(tài)金屬冷堆；根據(jù)慢化劑分 為石墨堆、水冷堆、有機(jī)堆、熔鹽堆、鈉冷堆；根據(jù)中子通量分為高通量堆和一般能量堆；根據(jù)熱工狀態(tài)分為沸騰堆、非沸騰堆、壓水堆；根據(jù)運(yùn)行方式分為脈沖堆和穩(wěn)態(tài)堆，等等。核反應(yīng)堆概念上可有900多種設(shè)計(jì)，但現(xiàn)實(shí)上非常有限。
按照歷史年代分類
前蘇聯(lián)于1954年建成了世界上第一座原子能發(fā)電站，掀開了人類和
平利用原子能的新的一頁。英國和美國分別于1956年和1959年建成原子能發(fā)電站。到2004.9.28，在世界上31個(gè)國家和地區(qū)，有439座發(fā)電用原子能反應(yīng)堆在運(yùn)行，總?cè)萘繛?64.6百萬千瓦，約占世界發(fā)電總?cè)萘康?6%。其中，法國建成59座發(fā)電用原子能反應(yīng)堆，原子能發(fā)電量占其整個(gè)發(fā)電量的78%；日本建成54座，原子能發(fā)電量占其整個(gè)發(fā)電量的25%；美國建成104座，原子能發(fā)電量占其整個(gè)發(fā)電量的20%；俄羅斯建成29座，原子能發(fā)電量占其整個(gè)發(fā)電量的15%。我國于1991年建成第一座原子能發(fā)電站，包括這一座在內(nèi)，當(dāng)前投入運(yùn)行的有9座發(fā)電用原子能反應(yīng)堆，總?cè)萘繛?60萬千瓦。我國另有2座反應(yīng)堆在建設(shè)中。我國還為巴基斯坦建成一座原子能發(fā)電站。
現(xiàn)代核反應(yīng)堆
第一代（GEN-I）核電站是早期的原型堆電站，即1950年至1960年前期開發(fā)的輕水堆（light water reactors,LWR）核電站，如美國的希平港(Shippingport)壓水堆（pressurized-water reactor,PWR）、德累斯頓(Dresden)沸水堆(boiling water reactor,BWR)以及英國的鎂諾克斯(Magnox)石墨氣冷堆等。
第二代（GEN-Ⅱ）核電站是1960年后期到1990年前期在第一代核電站基礎(chǔ)上開發(fā)建設(shè)的大型商用核電站，如LWR（PWR，BWR）、加拿大坎度堆（CANDU）、蘇聯(lián)的壓水堆VVER/RBMK等。到1998年為止，世界上的大多數(shù)核電站都屬于第二代核電站。
第三代（GEN-Ⅲ）是指滿足更高的安全性指標(biāo)的先進(jìn)核電站，要求安全性指標(biāo)達(dá)到URD的要求。第三代核電站采用標(biāo)準(zhǔn)化、最佳化設(shè)計(jì)和安全性更高的非能動(dòng)安全系統(tǒng)，如先進(jìn)的沸水堆（advanced boiling water reactors,ABWR）、系統(tǒng)80+、AP600、歐洲壓水堆（European pressurized reactor,EPR）等。
第四代（GEN-Ⅳ）是待開發(fā)的安全性更高的核電站，其目標(biāo)是到2030年達(dá)到實(shí)用化的程度，主要特征是經(jīng)濟(jì)性高（與天燃?xì)饣鹆Πl(fā)電站相當(dāng)）、安全性好、廢物產(chǎn)生量小，并能防止核擴(kuò)散。
2002年9月19日至20日在東京召開的GIF（第四代核能系統(tǒng)國際論壇Generation IV International Forum,GIF）會(huì)議上，與會(huì)的10個(gè)國家在94個(gè)概念堆的基礎(chǔ)上，一致同意開發(fā)以下六種第四代核電站概念堆系統(tǒng)。
按照冷卻方式分類
氣冷快堆
氣冷快堆（gas-cooled fast reactor,GFR）系統(tǒng)是快中子譜氦冷反應(yīng)堆，采用閉式燃料循環(huán)，燃料可選擇復(fù)合陶瓷燃料。它采用直接循環(huán)氦氣輪機(jī)發(fā)電，或采用其工藝熱進(jìn)行氫的熱化學(xué)生產(chǎn)。通過綜合利用快中子譜與錒系元素的完全再循環(huán)，GFR能將長壽命放射性廢物的產(chǎn)生量降到最低。此外，其快中子譜還能利用現(xiàn)有的裂變材料和可轉(zhuǎn)換材料（包括貧鈾）。參考反應(yīng)堆是288兆瓦的氦冷系統(tǒng)，出口溫度為850℃。
液態(tài)金屬冷卻快堆
鉛合金液態(tài)金屬冷卻快堆(lead-cooled fast reactor,LFR)系統(tǒng)是快中子譜鉛（鉛/鉍共晶）液態(tài)金屬冷卻堆，采用閉式燃料循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)可轉(zhuǎn)換鈾的有效轉(zhuǎn)化，并控制錒系元素。燃料是含有可轉(zhuǎn)換鈾和超鈾元素的金屬或氮化物。
LFR系統(tǒng)的特點(diǎn)是可在一系列電廠額定功率中進(jìn)行選擇，例如LFR系統(tǒng)可以是一個(gè)1200兆瓦的大型整體電廠，也可以選擇額定功率在300～400兆瓦的模塊系統(tǒng)與一個(gè)換料間隔很長（15～20年）的50～100兆瓦的組合。LFR是一個(gè)小型的工廠制造的交鑰匙電廠，可滿足市場(chǎng)上對(duì)小電網(wǎng)發(fā)電的需求。
液態(tài)鈉冷卻快堆（sodium-cooled fast reactor,SFR）系統(tǒng)是快中子譜鈉冷堆，它采用可有效控制錒系元素及可轉(zhuǎn)換鈾的轉(zhuǎn)化的閉式燃料循環(huán)。SFR系統(tǒng)主要用于管理高放射性廢棄物，尤其在管理钚和其他錒系元素方面。該系統(tǒng)有兩個(gè)主要方案：中等規(guī)模核電站，即功率為150～500兆瓦，燃料用鈾-钚-次錒系元素-鋯合金；中到大規(guī)模核電站，即功率為500～1 500兆瓦，使用鈾-钚氧化物燃料。
該系統(tǒng)由于具有熱響應(yīng)時(shí)間長、冷卻劑沸騰的裕度大、一回路系統(tǒng)在接近大氣壓下運(yùn)行，并且該回路的放射性鈉與電廠的水和蒸汽之間有中間鈉系統(tǒng)等特點(diǎn)，因此安全性能好。
熔鹽堆系
熔鹽反應(yīng)堆（molten salt reactor,MSR）系統(tǒng)是超熱中子譜堆，燃料是鈉、鋯和氟化鈾的循環(huán)液體混合物。熔鹽燃料流過堆芯石墨通道，產(chǎn)生超熱中子譜。MSR系統(tǒng)的液體燃料不需要制造燃料元件，并允許添加钚這樣的錒系元素。錒系元素和大多數(shù)裂變產(chǎn)物在液態(tài)冷卻劑中會(huì)形成氟化物。熔融的氟鹽具有很好的傳熱特性，可降低對(duì)壓力容器和管道的壓力。參考電站的功率水平為1000兆瓦，冷卻劑出口溫度700～800℃，熱效率高。
冷堆系統(tǒng)
超高溫氣冷堆(very high temperature reactor,VHTR)系統(tǒng)是一次通過式鈾燃料循環(huán)的石墨慢化氦冷堆。該反應(yīng)堆堆芯可以是棱柱塊狀堆芯（如日本的高溫工程試驗(yàn)反應(yīng)器HTTR），也可以是球床堆芯（如中國的高溫氣冷試驗(yàn)堆HTR-10）。
VHTR（超高溫氣冷堆）系統(tǒng)提供熱量，堆芯出口溫度為1 000℃，可為石油化工或其他行業(yè)生產(chǎn)氫或工藝熱。該系統(tǒng)中也可加入發(fā)電設(shè)備，以滿足熱電聯(lián)供的需要。此外，該系統(tǒng)在采用鈾/钚燃料循環(huán)，使廢物量最小化方面具有靈活性。參考堆采用600兆瓦堆芯。
超臨界水冷堆
超臨界水冷堆（super-critical water-cooled reactor,SCWR）系統(tǒng)是高溫高壓水冷堆，在水的熱力學(xué)臨界點(diǎn)（374℃，22.1兆帕）以上運(yùn)行。超臨界水冷卻劑能使熱效率提高到輕水堆的約1.3倍。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是，冷卻劑在反應(yīng)堆中不改變狀態(tài)，直接與能量轉(zhuǎn)換設(shè)備相連接，因此可大大簡化電廠配套設(shè)備。燃料為鈾氧化物。堆芯設(shè)計(jì)有兩個(gè)方案，即熱中子譜和快中子譜。參考系統(tǒng)功率為1 700兆瓦，運(yùn)行壓力是25兆帕，反應(yīng)堆出口溫度為510～550℃。
組成結(jié)構(gòu)
反應(yīng)堆的類型很多，但它主要由活性區(qū)，反射層，外壓力殼和屏蔽層組成。活性區(qū)又由核燃料，慢化劑，冷卻劑和控制棒等組成。當(dāng)前用于原子能發(fā)電站的反應(yīng)堆中，壓水堆是最具競爭力的堆型（約占61%），沸水堆占一定比例（約占24%），重水堆用的較少（約占5%）。壓水堆的主要特點(diǎn)是：
1）用價(jià)格低廉、到處可以得到的普通水作慢化劑和冷卻劑，
2）為了使反應(yīng)堆內(nèi)溫度很高的冷卻水保持液態(tài)，反應(yīng)堆在高壓力（水壓約為15.5 MPa ）下運(yùn)行，所以叫壓水堆；
3）由于反應(yīng)堆內(nèi)的水處于液態(tài)，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組的蒸汽必須在反應(yīng)堆以外產(chǎn)生；這是借助于蒸汽發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的，來自反應(yīng)堆的冷卻水即一回路水流入蒸汽發(fā)生器傳熱管的一側(cè)，將熱量傳給傳熱管另一側(cè)的二回路水，使后者轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝ǘ芈氛羝麎毫?—7 MPa，蒸汽平均溫度為310℃，以大亞灣核電廠為例）；
4）由于用普通水作慢化劑和冷卻劑，熱中子吸收截面較大，因此不可能用天然鈾作核燃料，必須使用濃縮鈾（鈾-235的含量為2—4%）作核燃料。沸水堆和壓水堆同屬于輕水堆，它和壓水堆一樣，也用普通水作慢化劑和冷卻劑，不同的是在沸水堆內(nèi)產(chǎn)生蒸汽（壓力約為7 MPa），并直接進(jìn)入氣輪機(jī)發(fā)電，無需蒸汽發(fā)生器，也沒有一回路與二回路之分，系統(tǒng)特別簡單，工作壓力比壓水堆低。然而，沸水堆的蒸汽帶有放射性，需采取屏蔽措施以防止放射性泄漏。重水堆是用重水作慢化劑和冷卻劑，因?yàn)槠錈嶂凶游战孛孢h(yuǎn)小于普通水的熱中子吸收截面，所以可以用天然鈾作為重水堆的核燃料。所謂熱中子，是指鈾-235原子核裂變時(shí)射出的快中子經(jīng)慢化后速度降為2200 m/s、能量約為1/40 eV的中子。熱中子引起鈾-235核裂變的可能性，比被鈾-238原子核俘獲的可能性大190倍。這樣，在以天然鈾為燃料的重水堆中，核裂變鏈鎖反應(yīng)可持續(xù)進(jìn)行下去。由于重水慢化中子不如普通水有效，因此重水堆的堆芯比輕水堆大得多，使得壓力容器制造變得困難。重水堆仍需配備蒸汽發(fā)生器，一回路的重水將熱量帶到蒸汽發(fā)生器，傳給二回路的普通水以產(chǎn)生蒸汽。重水堆的最大優(yōu)點(diǎn)是不用濃縮鈾而用天然鈾作核燃料，但是阻礙其發(fā)展的重要原因之一是重水很難得到，因?yàn)樵谔烊凰兄厮徽?/6500。
慢化劑
核燃料裂變反應(yīng)釋放的中子為快中子，而在熱中子或中能中子反應(yīng)堆中要應(yīng)用慢化中子維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，
慢化劑就是用來將快中子能量減少，使之慢化成為中子或中能中子的物質(zhì)。選擇慢化劑要考慮許多不同的要求。首先是核特性：即良好的慢化性能和盡可能低的中子吸收截面；其次是價(jià)格、機(jī)械特性和輻照敏感性。有時(shí)慢化劑兼作冷卻劑，即使不是，在設(shè)計(jì)中兩者也是緊密相關(guān)的。應(yīng)用最多的固體慢化劑是石墨，其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的慢化性能和機(jī)械加工性能，小的中子俘獲截面和價(jià)廉。石墨是迄今發(fā)現(xiàn)的可以采用天然鈾為燃料的兩種慢化劑之一；另一種是重水。其他種類慢化劑則必須使用濃縮的核燃料。從核特性看，重水是更好的慢化劑，并且因其是液體，可兼做冷卻劑，主要缺點(diǎn)是價(jià)格較貴，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需有嚴(yán)格的密封要求。輕水是應(yīng)用最廣泛的慢化劑，雖然它的慢化性能不如重水，但價(jià)格便宜。重水和輕水有共同的缺點(diǎn)，即產(chǎn)生輻照分解，出現(xiàn)氫、氧的積累和復(fù)合。
核反應(yīng)堆
控制棒
在反應(yīng)堆中起補(bǔ)償和調(diào)節(jié)中子反應(yīng)性以及緊急停堆的作用。制作控制棒的材料其熱中子吸收截面大，而散射截面小。好的控制棒材料（如鎘、銀、銦等）在吸收中子后產(chǎn)生的新同位素仍具有大的熱中子吸收截面，因而使用壽命很長。核電站常用的控制棒材料有硼鋼、銀-銦-鎘合金等。其中含硼材料因資源豐富、價(jià)格低，應(yīng)用較廣，但它容易產(chǎn)生輻照脆化和尺寸變化（腫脹）。銀-銦-鎘合金熱中子吸收截面大，是輕水堆的主要控制材料。壓水堆中采用棒束控制，控制材料制成棒狀，每個(gè)棒束由24根控制棒組成，均勻分布在17×17的燃料組件間。核電站通過專門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)控制棒插入燃料組件的深度，以控制反應(yīng)堆的反應(yīng)性，緊急情況下則利用控制棒停堆（這時(shí)，控制棒材料大量吸收熱中子，使自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無法維持而中止）。
核反應(yīng)堆控制棒
冷卻劑
由主循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)，在一回路中循環(huán)，從堆芯帶走熱量并傳給二回路中的工質(zhì)，使蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，以驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。冷卻劑是唯一既在堆芯中工作又在堆外工作的一種反應(yīng)堆成分，這就要求冷卻劑必需在高溫和高中子通量場(chǎng)中工作是穩(wěn)定的。此外，大多數(shù)適合的流體以及它們含有的雜質(zhì)在中子輻照下將具有放射性，因此冷卻劑要用耐輻照的材料包容起來，用具有良好射線阻擋能力的材料進(jìn)行屏蔽。理想的冷卻劑應(yīng)具有優(yōu)良的慢化劑核特性，有較大的傳熱系數(shù)和熱容量、抗氧化以及不會(huì)產(chǎn)生很高的放射性。液態(tài)鈉(主要用于快中子堆)和鈉鉀合金（主要用于空間動(dòng)力堆）具有大的熱容量和良好的傳熱性能清水水在價(jià)格、處理、抗氧化和活化方面都有優(yōu)點(diǎn)，但是它的熱特性不好。重水最好最好的冷卻劑和慢化劑，但價(jià)格昂貴。氣體冷卻劑（如二氧化碳、氦）具有許多優(yōu)點(diǎn)，但要求比液體冷卻劑更高的循環(huán)泵功率，系統(tǒng)密封性要求也較高。有機(jī)冷卻劑較突出的優(yōu)點(diǎn)是在堆內(nèi)的激活活性較低，這是因?yàn)槿坑袡C(jī)冷卻劑的中子俘獲截面較低，主要缺點(diǎn)是輻照分解率較大。應(yīng)用最普遍的壓水堆核電站用輕水作冷卻劑兼慢化劑。
核反應(yīng)堆冷卻劑
屏蔽層
為防護(hù)中子、γ射線和熱輻射，必須在反應(yīng)堆和大多數(shù)輔助設(shè)備周圍設(shè)置屏蔽層。其設(shè)計(jì)要力求造價(jià)便宜并節(jié)省空間。對(duì)γ射線屏蔽，通常選擇鋼、鉛、普通混凝土和重混凝土。鋼的強(qiáng)度最好，但價(jià)格較高；鉛的優(yōu)點(diǎn)是密度高，因此鉛屏蔽厚度較??；混凝土比金屬便宜，但密度較小，因而屏蔽層厚度比其他的都大。
行波堆
核電行波堆的名字借用了無線電技術(shù)的行波管，但是物理本質(zhì)截然不同。行波管是利用電子槍發(fā)射的電子注在聚焦系統(tǒng)中給同向傳輸?shù)奈⒉▊鬟f能量，從而放大微波信號(hào)。而核電行波堆則是利用起始端少量高濃度鈾235裂變產(chǎn)生的快中子轟擊貧鈾（幾乎完全是鈾238）生成钚239。钚239俘獲中子后裂變生成多達(dá)300種的各種中等質(zhì)量原子，并平均產(chǎn)生2.5個(gè)中子和2億電子伏的能量。裂變能被液態(tài)金屬鈉或其他載熱介質(zhì)吸收用來發(fā)電，新產(chǎn)生的中子則維持堆芯里的核反應(yīng)不斷向前行進(jìn)，直到將整個(gè)堆芯“燒”盡為止。行波堆因此得名。
主要特點(diǎn)
核能發(fā)電有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)——非常清潔。與火電站相比，核電站從環(huán)保角度來講簡直就是做到了極致?；痣娬鞠虼髿庵嗅尫诺姆派湫晕镔|(zhì)比核電站還多，同時(shí)它還向大氣中釋放大量的碳、硫和其他元素。
非常不幸的是，核電站的運(yùn)行也存在一些嚴(yán)重的問題：
鈾的開采和提純并不是非常清潔的過程。
核電站的乏燃料在幾百年內(nèi)都是有毒的，并且到目前為止，世界上沒有能安全、永久地存儲(chǔ)它們的設(shè)施。
運(yùn)輸核燃料往返于核電站帶來了一些風(fēng)險(xiǎn)，不過迄今為止，美國并沒有發(fā)生過這種事故。
很大程度上，以上這些問題使得在美國建設(shè)新核電站的嘗試偏離了正常軌道。因?yàn)樯鐣?huì)似乎普遍認(rèn)為建設(shè)核電站風(fēng)險(xiǎn)超過了回報(bào)。
優(yōu)點(diǎn)
1）能量高度集中，燃料費(fèi)用低廉，綜合經(jīng)濟(jì)效益好。1公斤鈾-235或钚-239提供的能量在理論上相當(dāng)于2300噸無煙煤。在現(xiàn)階段的實(shí)際應(yīng)用中，1公斤天然鈾可代替20—30噸煤。雖然原子能發(fā)電一次性基建投資較大，可是核燃料費(fèi)用比煤和石油的費(fèi)用便宜得多。所以，原子能發(fā)電的總成本已低于常規(guī)發(fā)電的總成本。
2）因所需燃料數(shù)量少而不受運(yùn)輸和儲(chǔ)存的限制。例如，一座100萬千瓦的常規(guī)發(fā)電廠，一年需要燒掉300萬噸煤，平均每天需要一艘萬噸輪來運(yùn)煤。而使用原子能發(fā)電，一年只需要30噸核燃料。
3）污染環(huán)境較輕。原子能發(fā)電不向外排放CO、SO2、NOX等有害氣體和固體微粒，也不排放產(chǎn)生溫室效應(yīng)的二氧化碳。原子能發(fā)電站日常放射性廢氣和廢液的排放量很小，周圍居民由此受到的輻射劑量小于來自天然本底的1%。大量釋放放射性物質(zhì)的嚴(yán)重事故，則發(fā)生的概率極低，全世界10000堆年的運(yùn)行歷史中只發(fā)生過一次波及廠外的切爾諾貝利事故，它是運(yùn)行人員違章操作和反應(yīng)堆本身設(shè)計(jì)缺陷（缺乏必要的安全屏障）所造成的。大家可能聽說過美國三里島原子能發(fā)電站的事故，這次事故是由于人為失職和設(shè)備故障造成。由于反應(yīng)堆有幾道安全屏障，該事故中無一人死亡，80公里以內(nèi)的200萬人口中平均受到的輻射劑量還不及佩帶一年夜光表受到的劑量。
安全性
反應(yīng)堆不會(huì)爆炸，其原因至少有三條：
1）原子彈使用的核燃料中90%以上是易裂變的鈾-235，而發(fā)電用反應(yīng)堆使用的核燃料中只有2—4%是易裂變的鈾-235。
2）反應(yīng)堆內(nèi)裝有由易吸收中子的材料制成的控制棒，通過調(diào)節(jié)控制棒的位置來控制核裂變反應(yīng)的速度。
3）冷卻劑不斷地把反應(yīng)堆內(nèi)核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的巨大熱量帶出，使反應(yīng)堆內(nèi)的溫度控制在所需范圍內(nèi)。
可能有人也要問，為什么一些國家不輕易轉(zhuǎn)讓原子能發(fā)電技術(shù)呢？這是因?yàn)榉磻?yīng)堆用于發(fā)電的同時(shí)，在反應(yīng)堆內(nèi)還產(chǎn)生一定量的钚-239（除大部分中子轟擊鈾-235原子核使其發(fā)生裂變外，仍有一部分中子被鈾-238原子核俘獲使后者變成钚-239。在反應(yīng)堆內(nèi)生成的钚-239中，約有50%以上再被中子轟擊發(fā)生裂變，釋放出能量，使核燃料增殖；其余不到50%的钚-239留在反應(yīng)堆內(nèi)。），經(jīng)后處理可將钚-239提取出來，用于制造原子彈。重水堆產(chǎn)生的钚-239約為壓水堆的兩倍。
應(yīng)用領(lǐng)域
核裂變時(shí)既釋放出大量能量、又釋放出大量中子。核反應(yīng)堆有許多用途，但歸結(jié)起來，一是利用裂變核能，二是利用裂變中子。核能主要用于發(fā)電，但它在其它方面也有廣泛的應(yīng)用。例如核能供熱、核動(dòng)力等。
核能供熱是廿世紀(jì)八十年代才發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，這是一種經(jīng)濟(jì)、安全、清潔的熱源，因而在世界上受到廣泛重視。在能源結(jié)構(gòu)上，用于低溫(如供暖等)的熱源，占總熱耗量的一半左右，這部分熱多由直接燃煤取得，因而給環(huán)境造成嚴(yán)重污染。在我國能源結(jié)構(gòu)中，近70%的能量是以熱能形式消耗的，而其中約60%是120℃以下的低溫?zé)崮?/a>，所以發(fā)展核反應(yīng)堆低溫供熱，對(duì)緩解供應(yīng)和運(yùn)輸緊張、凈化環(huán)境、減少污染等方面都有十分重要的意義。核供熱是一種前途遠(yuǎn)大的核能利用方式。核供熱不僅可用于居民冬季采暖，也可用于工業(yè)供熱。特別是高溫氣冷堆可以提供高溫?zé)嵩?，能用于煤的氣化、煉鐵等耗熱巨大的行業(yè)。核能既然可以用來供熱、也一定可以用來制冷。清華大學(xué)在五兆瓦的低溫供熱堆上已經(jīng)進(jìn)行過成功的試驗(yàn)。核供熱的另一個(gè)潛在的大用途是海水淡化。在各種海水淡化方案中，采用核供熱是經(jīng)濟(jì)性最好的一種。在中東、北非地區(qū)，由于缺乏淡水，海水淡化的需求是很大的。
核能又是一種具有獨(dú)特優(yōu)越性的動(dòng)力。因?yàn)樗恍枰諝庵迹勺鳛榈叵?、水中和太空缺乏空氣環(huán)境下的特殊動(dòng)力；又由于它少耗料、高能量，是一種一次裝料后可以長時(shí)間供能的特殊動(dòng)力。例如，它可作為火箭、宇宙飛船、人造衛(wèi)星、潛艇、航空母艦等的特殊動(dòng)力。將來核動(dòng)力可能會(huì)用于星際航行。當(dāng)前人類進(jìn)行的太空探索，還局限于太陽系，故飛行器所需能量不大，用太陽能電池就可以了。如要到太陽系外其他星系探索，核動(dòng)力恐怕是唯一的選擇。美、俄等國-直在從事核動(dòng)力衛(wèi)星的研究開發(fā)，旨在把發(fā)電能力達(dá)上百千瓦的發(fā)電設(shè)備裝在衛(wèi)星上。由于有了大功率電源，衛(wèi)星在通訊、軍事等方面的威力將大大增強(qiáng)。1997年10月15日美國宇航局發(fā)射的“卡西尼”號(hào)核動(dòng)力空間探測(cè)飛船，它要飛往土星，歷時(shí)7年，行程長達(dá)35億公里漫長的旅途。
核動(dòng)力推進(jìn)，主要用于核潛艇、核航空母艦和核破冰船。由于核能的能量密度大、只需要少量核燃料就能運(yùn)行很長時(shí)間，這在軍事上有很大優(yōu)越性。尤其是核裂變能的產(chǎn)生不需要氧氣，故核潛艇可在水下長時(shí)間航行。正因?yàn)楹藙?dòng)力推進(jìn)有如此大的優(yōu)越性，故幾十年來全世界已制造的用于艦船推進(jìn)的核反應(yīng)堆數(shù)目已達(dá)數(shù)百座、超過了核電站中的反應(yīng)堆數(shù)目(當(dāng)然其功率遠(yuǎn)小于核電站反應(yīng)堆)。當(dāng)前核航空母艦、核驅(qū)逐艦、核巡洋艦與核潛艇一起，已形成了一支強(qiáng)大的海上核力量。
核航空母艦
核反應(yīng)堆的第二大用途就是利用鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)中放出的大量中子。這方面的用途是非常多的，我們這里僅舉幾個(gè)例子。我們知道，許多穩(wěn)定的元素的原子核如果再吸收一個(gè)中子就會(huì)變成一種放射性同位素。因此反應(yīng)堆可用來大量生產(chǎn)各種放射性同位素。放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)上的廣泛用途當(dāng)前幾乎是盡人皆知的了。還有，當(dāng)前工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科研中經(jīng)常需用一種帶有極微小孔洞的薄膜，用來過濾、去除溶液中的極細(xì)小的雜質(zhì)或細(xì)菌之類。在反應(yīng)堆中用中子轟擊薄膜材料可以生成極微小的孔洞，達(dá)到上述技術(shù)要求。利用反應(yīng)堆中的中子還可以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)半導(dǎo)體材料。我們知道在單晶硅中必須摻入少量其他材料，才能變成半導(dǎo)體，例如摻入磷元素。一般是采用擴(kuò)散方法，在爐子里讓磷蒸汽通過硅片表面滲進(jìn)去。但這樣做效果不是太理想，硅中磷的濃度不均勻，表面濃度濃度變高濃度變低。當(dāng)前可采用中子摻雜技術(shù)。把單晶硅放在反應(yīng)堆里受中子輻照，硅俘獲一個(gè)中子后，經(jīng)衰變后就變成了磷。由于中子不帶電、很容易進(jìn)入硅片的內(nèi)部，故這種辦法生產(chǎn)的硅半導(dǎo)體性質(zhì)優(yōu)良。利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子可以治療癌癥。因?yàn)樵S多癌組織對(duì)于硼元素有較多的吸收，而且硼又有很強(qiáng)的吸收中子能力。硼被癌組織吸收后，經(jīng)中子照射，硼會(huì)變成鋰并放出α射線。α射線可以有效殺死癌細(xì)胞，治療效果要比從外部用γ射線照射好得多。反應(yīng)堆里的中子還可用于中子照相或者說中子成像。中子易于被輕物質(zhì)散射，故中子照相用于檢查輕物質(zhì)(例如炸藥、毒品等)特別有效，如果用x光或超聲成像則檢查不出來。
注意事項(xiàng)
臨界狀態(tài)
鈾-235原子分裂時(shí)會(huì)（根據(jù)分裂方式的不同）釋放出兩個(gè)或三個(gè)中子。如果附近沒有鈾-235原子，那么這些中子將會(huì)以中子射線的方式飛走。如果鈾-235原子是一塊鈾的一部分——那么附近就有其他鈾原子——于是將會(huì)發(fā)生下面三種情況：
·如果，平均起來，每次裂變正好有一個(gè)自由中子擊中另一個(gè)鈾-235原子核并使它發(fā)生裂變，那么這塊鈾的質(zhì)量就被認(rèn)為是臨界的。其質(zhì)量將維持一個(gè)穩(wěn)定的溫度。核反應(yīng)堆必須被維持在臨界狀態(tài)。
·如果，平均起來，擊中另一個(gè)鈾-235原子的自由中子少于一個(gè)，那么這塊質(zhì)量就是亞臨界的。最終，物質(zhì)的誘發(fā)裂變會(huì)終止。
·如果，平均起來，有超過一個(gè)自由中子擊中了另一個(gè)鈾-235原子，那么這塊鈾的質(zhì)量就是超臨界的。鈾會(huì)熱起來。
對(duì)于核彈，其設(shè)計(jì)者要求鈾的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過超臨界質(zhì)量，這樣燃料塊中的所有鈾-235能夠在極短的時(shí)間內(nèi)全部發(fā)生裂變。在核反應(yīng)堆中，反應(yīng)堆堆芯需要稍微超臨界，這樣工作人員就能控制反應(yīng)堆的溫度。工作人員通過操作控制棒來吸收自由中子，以使反應(yīng)堆維持在臨界水平。
燃料中鈾-235的含量（濃縮水平）和燃料塊的形狀決定了鈾的臨界狀況?？梢韵胂?，如果燃料是細(xì)薄的片狀，那么多數(shù)自由中子將會(huì)飛出去而不是撞擊其他的鈾-235原子。球形是最佳的形狀。以球形聚集在一起以實(shí)現(xiàn)臨界反應(yīng)的鈾-235的量大約為0.9公斤。這個(gè)量因此被稱為臨界質(zhì)量。钚-239的臨界質(zhì)量大約是283 克。
發(fā)展前景
可持續(xù)發(fā)展
通過對(duì)核燃料的有效利用，實(shí)現(xiàn)提供持續(xù)生產(chǎn)能源的手段；實(shí)現(xiàn)核廢物量的最少化，加強(qiáng)管理，減輕長期管理事務(wù)，保證公眾健康，保護(hù)環(huán)境。
提高安全性
確保更高的安全性及可靠性；大幅度降低堆芯損傷的概率及程度，并具有快速恢復(fù)反應(yīng)堆運(yùn)行的能力；取消在廠址外采取應(yīng)急措施的必要性。
提高經(jīng)濟(jì)性
發(fā)電成本優(yōu)于其他能源；資金的風(fēng)險(xiǎn)水平能與其他能源相比。
防止核擴(kuò)散
利用反應(yīng)堆系統(tǒng)本身的特性，在商用核燃料循環(huán)中通過處理的材料，對(duì)于核擴(kuò)散具有更高的防止性，保證難以用于核武器或被盜竊；為了評(píng)價(jià)核能的核不擴(kuò)散性，DOE針對(duì)第四代核電站正在開發(fā)定量評(píng)價(jià)防止核擴(kuò)散的方法。
華能山東石島灣核電廠高溫氣冷堆核電站示范工程已于2008年開始建設(shè)，工程將于2013年11月投產(chǎn)發(fā)電。這是中國第一座采用第四代核反應(yīng)堆的核電站，使用的是第四代高溫氣冷石墨球床反應(yīng)堆，簡稱球床堆。
第四代反應(yīng)堆的六個(gè)構(gòu)型中，高溫氣冷堆是一個(gè)很有前途的方案，現(xiàn)行的高溫氣冷堆有兩個(gè)流派：石墨球床和柱狀燃料的，前者的使用者是中國和南非，后者是美、俄和日本。
石墨球床堆也叫卵石堆，最早是德國在本世紀(jì)60年代建成了原理堆，由于技術(shù)和需求的限制，30年沒有大的發(fā)展，直到上個(gè)世紀(jì)90年代，國際能源危機(jī)的壓力日趨嚴(yán)重，南非和中國先后開始了對(duì)這一技術(shù)的現(xiàn)代化研究和實(shí)用化探索，分別是南非國營電力設(shè)計(jì)的PBMR(400MW熱功率)和中國原子能技術(shù)研究院設(shè)計(jì)的HTR-PM(460MW)。兩者的設(shè)計(jì)都已經(jīng)基本完成，其間中國完成了清華大學(xué)10Mw原理堆(HTR-10)的建造和運(yùn)行工作，HTR-10已經(jīng)并網(wǎng)多時(shí)了。
運(yùn)營中
遼寧：紅沿河核電站一期1號(hào)機(jī)組
建設(shè)中
福建：寧德核電站一期，福清核電站
浙江：秦山核電站擴(kuò)建— 方家山核電，三門核電站
山東：山東海陽核電站，石島灣核電站
遼寧：紅沿河核電站一期
籌建中
廣西：紅沙核電站
湖南：小墨山核電站，桃花江核電站
江西：煙家山核電站，彭澤核電站
重慶：涪陵核電站
四川：三壩核電站
河南：南陽核電站
吉林：靖宇核電站
黑龍江：佳木斯核電站
各國情況
沙特阿拉伯
2018年11月5日，沙特阿拉伯首座用于科學(xué)研究的核反應(yīng)堆項(xiàng)目動(dòng)工開建。
法國
參考資料
[1]
探秘中國核電技術(shù)之源2020-10-16T06:39:06+08:00[引用日期2022-06-17 17:47:36]
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