奧托·哈恩核反應堆

奧托·哈恩核反應堆

奧托·哈恩核反應堆是因德國科學家奧托·哈恩而得名,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生了碰撞。這項實驗有著非常重大的意義,它不僅使鈾原子簡單地發生了分裂,而且裂變後總的質量減少,同時放出能量,尤其重要的是鈾原子裂變時,除裂變碎片之外還射出2至3箇中子,這箇中子又可以引起下一個鈾原子的裂變,從而發生連鎖反應。

基本介紹

  • 中文名:奧托·哈恩核反應堆
  • 外文名:Otto Hahn Nuclear Reactor
  • 所屬學科:原子核物理
  • 發明人:奧托·哈恩
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反應堆歷史簡介

早在1929年,科克羅夫特就利用質子成功地實現了原子核的變換。但是,用質子引起核反應需要消耗非常多的能量,使質子與目標的原子核碰撞命中的機會也非常之少。
1938年,德國人奧托·哈恩和休特洛斯二人成功使中子和鈾原子發生了碰撞。這個實驗有著重大的意義,它不僅使鈾原子簡單發生分裂,而且裂變後總質量減少,同時放出能量,更為重要的是鈾原子裂變時,除裂變碎片之外還射出2到3箇中子,這箇中子可引起下一個鈾原子裂變,發生連鎖反應。
1939年1月,用中子引起鈾原子核裂變的訊息傳到費米的耳朵里,當時他已逃亡到美國哥倫比亞大學,費米不愧是個天才科學家,他一聽到這個訊息,馬上就直觀地構想了原子反應堆的可能性,開始為它的實現而努力。費米組織了一支研究隊伍,對建立原子反應堆問題進行徹底的研究。費米與助手們一起,經常通宵不眠地進行理論計算,思考反應堆的形狀設計,有時還要親自去解決石墨材料的採購問題。
1942年12月2日曼哈頓計畫期間,費米的研究組人員全體集合在美國芝加哥大學Stagger Field 的一個巨大石墨型反應堆前面。這時由費米發出信號,緊接著從那座埋沒在石墨之間的7噸鈾燃料構成的巨大反應堆里,控制棒緩慢地被拔了出來,隨著計數器發出了咔嚓咔嚓的響聲,到控制棒上升到一定程度,計數器的聲音響成了一片,這說明連鎖反應開始了。這是人類第一次釋放並控制了原子能的時刻,這個反應堆被命名為“芝加哥一號堆"。
1954年前蘇聯建成世界上第一座原子能發電站利用濃縮鈾作燃料,採用石墨水冷堆,電輸出功率為5000千瓦。1956年,英國也建成了原子能電站。原子能電站的發展並非一帆風順,不少人對核電站的放射性污染問題感到憂慮和恐懼,因此出現了反核電運動。其實,在嚴格的科學管理之下,原子能是安全的能源。原子能發電站周圍的放射性水平,同天然本底的放射性水平實際並沒有多大差別。
1979年3月,美國三里島原子能發電站由於操作錯誤和設備失靈,造成了原子能開發史上空前未有的嚴重事故。然而,由於反應堆的停堆系統、應急冷卻系統和安全殼等安全措施發揮了作用,結果放射性外逸量微乎其微,人和環境沒有受到什麼影響,充分說明現代科技的發展已能保證原子能的安全利用。

奧托·哈恩核反應堆原理

核反應堆是核電站的心臟 ,它的工作原理是這樣的:
奧托·哈恩核反應堆
反應堆原理
原子原子核與核外電子組成。原子核由質子中子組成。當鈾235的原子核受到外來中子轟擊時,一個原子核會吸收一個中子分裂成兩個質量較小的原子核,同時放出2—3箇中子。這裂變產生的中子又去轟擊另外的鈾235原子核,引起新的裂變。如此持續進行就是裂變的鏈式反應。鏈式反應產生大量熱能。用循環水(或其他物質)帶走熱量才能避免反應堆因過熱燒毀。導出的熱量可以使水變成水蒸氣,推動汽輪機發電。由此可知,核反應堆最基本的組成是裂變原子核+載熱體。但是只有這兩項是不能工作的。因為,高速中子會大量飛散,這就需要使中子慢化增加與原子核碰撞的機會;核反應堆要依人的意願決定工作狀態,這就要有控制設施;鈾及裂變產物都有強放射性,會對人造成傷害,因此必須有可靠的防護措施;核反應堆發生事故時,要防止各種事故工況下輻射泄漏,所以反應堆還需要各種安全系統。綜上所述,核反應堆的合理結構應該是:核燃料+慢化劑+載熱體+控制設施+防護裝置+安全設施。
還需要說明的是,鈾礦石不能直接做核燃料。鈾礦石要經過精選、碾碎、酸浸、濃縮等程式,製成有一定鈾含量、一定幾何形狀的鈾棒或者球狀燃料才能參與反應堆工作。

套用領域

核裂變時既釋放出大量能量、又釋放出大量中子。核反應堆有許多用途,但歸結起來,一是利用裂變核能,二是利用裂變中子。核能主要用於發電,但它在其它方面也有廣泛的套用。例如核能供熱、核動力等。
核能供熱是廿世紀八十年代才發展起來的一項新技術,這是一種經濟、安全、清潔的熱源,因而在世界上受到廣泛重視。在能源結構上,用於低溫(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,因而給環境造成嚴重污染。在我國能源結構中,近70%的能量是以熱能形式消耗的,而其中約60%是120℃以下的低溫熱能,所以發展核反應堆低溫供熱,對緩解供應和運輸緊張、淨化環境、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大的核能利用方式。核供熱不僅可用於居民冬季採暖,也可用於工業供熱。特別是高溫氣冷堆可以提供高溫熱源,能用於煤的氣化、煉鐵等耗熱巨大的行業。核能既然可以用來供熱、也一定可以用來製冷。
核動力推進 ,主要用於核潛艇、核航空母艦和核破冰船。由於核能的能量密度大、只需要少量核燃料就能運行很長時間,這在軍事上有很大優越性。尤其是核裂變能的產生不需要氧氣,故核潛艇可在水下長時間航行。正因為核動力推進有如此大的優越性,故幾十年來全世界己製造的用於艦船推進的核反應堆數目已達數百座、超過了核電站中的反應堆數目(當然其功率遠小於核電站反應堆)。當前核航空母艦、核驅逐艦、核巡洋艦與核潛艇一起,已形成了一支強大的海上核力量。

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