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    核反应堆的工作原理

    2016/12/7 14:55:05

    核裂变


    当一个原子数较高的核子(例如U-235或Pu-239)吸收一个中子时会形成一个激发态的核子,然后裂变为两个或更多个轻核。释放出的动能、伽玛射线和若干个中子,统称为裂变产物。其中有些中子可能被下一个重核吸收,引发下一个裂变反应,释放出更多的中子,依此类推,这个反应就是链式反应。但是动量太高的中子不容易被重核吸收,需要慢化剂来减速中子。而太多中子会使反应过快失去控制,可以用一些对中子吸收截面较大的核素来吸收中子抑制链式反应。通过中子减速剂与吸收剂,来增加和降低反应速率以控制反应堆的输出功率。

    一般常用的中子慢化剂有轻水(即H2O)(世界上75%的反应堆用水做慢化剂),固体石墨(20%)(切尔诺贝利电厂为著名的例子)和重水(即D2O)(5%)。在一些实验堆中,甲烷和Be也被用来做慢化剂。

    热能的产生

    在反应堆里,热能主要有以下几个来源:

    1.反应碎片通过和周围原子的碰撞,把自身的动能传递给周围的原子。

    2.裂变反应产生的伽玛射线被反应堆吸收,转化为热能。

    3.反应堆的一些材料在中子的照射下被活化,产生一些放射性的元素。这些元素的衰变能转化为热能。这种衰变热会在反应堆关闭后仍然存在一段时间。

    4.1千克U235完全裂变得到的热能等于3千吨煤燃烧所释放的能量。

    冷却

    在反应堆里,一般用水做冷却剂(轻水或重水),也有用气体或融盐的。冷却剂通过泵浦在堆芯里循环流动,同时把通过裂变产生的热传递出来。一般的反应堆的冷却系统和热机是分开的,例如压水堆。也有的反应堆,蒸气是由反应堆直接加热得到的,例如沸水堆。
    反应堆控制


     反应堆的输出功率,或者说反应率,是通过控制堆芯内的中子密度和能量来控制的。

    控制棒由中子强吸收材料做成。如果有很多的中子被控制棒吸收,就意味着就少一些中子引发链式反应。因此,把控制棒插入堆芯,将会减慢反应速率,降低输出功率。相反,将控制棒抽出,链式反应的速率将会增加,输出功率也会增加。

    在一些反应堆里,冷却剂同时也起慢化的作用。慢化剂通过和快中子的碰撞,吸收中子的能量,使快中子能量降低,成为热中子。而热中子引发核反应的截面更大些。因此慢化剂密度高,将会增加反应堆的功率输出。而温度高,冷却剂的密度会降低,慢化作用降低,反应速率下降。另一些反应堆里,冷却剂会吸收中子,起到控制棒的作用。在这些反应堆里,可以通过加热冷却剂来提高反应堆的功率。

    反应堆都有自动和手动的系统来防止意外事件的发生,当出现意外事件时,将有大量的中子强吸收材料注入,使反应堆关闭。

    发电

    由链式反应释放出的能量通过冷却剂传导出来,加热水,产生蒸气,推动发电机发电。

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