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行業新聞

核反應堆的工作原理

2016/12/7 14:55:53

核裂變


當一個原子數較高的核子（例如U-235或Pu-239）吸收一個中子時會形成一個激發態的核子，然后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。

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于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。

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