基本介紹
- 中文名：核子反應堆
- 別稱：原子反應堆或反應堆
- 能量來源：可控制裂變鏈式反應
- 使用材料：鈾礦石
工作原理,用途,類型,
工作原理
原子由原子核與核外電子組成。原子核由質子與中子組成。當鈾—238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，推動氣輪機發電。由此可知，核反應堆最基本的組成是裂變原子核+熱載體。但是只有這兩項是不能工作的。因為，高速中子會大量飛散，這就需要使中子減速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。綜上所述，核反應堆的合理結構應該是：核燃料+慢化劑+熱載體+控制設施+防護裝置。
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才能參與反應堆工作。
用途
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，-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。清華大學在五兆瓦的低溫供熱堆上已經進行過成功的試驗。核供熱的另一個潛在的大用途是海水淡化。在各種海水淡化方案中，採用核供熱是經濟性最好的一種。在中東、北非地區，由於缺乏淡水，海水淡化的需求是很大的。
核能又是一種具有獨特優越性的動力。因為它不需要空氣助燃，可作為地下、水中和太空缺乏空氣環境下的特殊動力；又由於它少耗料、高能量，是一種一次裝料後可以長時間供能的特殊動力。例如，它可作為火箭、宇宙飛船、人造衛星、潛艇、航空母艦等的特殊動力。將來核動力可能會用於星際航行。人類進行的太空探索，還局限於太陽系，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，核動力恐怕是唯一的選擇。美、俄等國-直在從事核動力衛星的研究開發，旨在把發電能力達上百千瓦的發電設備裝在衛星上。由於有了大功率電源，衛星在通訊、軍事等方面的威力將大大增強。1997年10月15日美國宇航局發射的“卡西尼”號核動力空間探測飛船，它要飛往土星，歷時7年，行程長達35億公里漫長的旅途。
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)。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。
核反應堆的第二大用途就是利用鏈式裂變反應中放出的大量中子。這方面的用途是非常多的，我們這裡僅舉少量幾個例子。我們知道，許多穩定的元素的原子核如果再吸收一個中子就會變成一種放射性同位素。
因此反應堆可用來大量生產各种放射性同位素。放射性同位素在工業、農業、醫學上的廣泛用途幾乎是盡人皆知的了。還有，現在工業、醫學和科研中經常需用一種帶有極微小孔洞的薄膜，用來過濾、去除溶液中的極細小的雜質或細菌之類。
在反應堆中用中子轟擊薄膜材料可以生成極微小的孔洞，達到上述技術要求。利用反應堆中的中子還可以生產優質半導體材料。我們知道在單晶矽中必須摻入少量其他材料，才能變成半導體，例如摻入磷元素。一般是採用擴散方法，在爐子裡讓磷蒸汽通過矽片表面滲進去。但這樣做效果不是太理想，矽中磷的濃度不均勻，表面濃度高裡面濃變低。
可採用中子摻雜技術。把單晶矽放在反應堆里受中子輻照，矽俘獲一個中子後，經衰變後就變成了磷。由於中子不帶電、很容易進入矽片的內部，故這種辦法生產的矽半導體性質優良。利用反應堆產生的中子可以治療癌症。因為許多癌組織對於硼元素有較多的吸收，而且硼又有很強的吸收中子能力。
硼被癌組織吸收後，經中子照射，硼會變成鋰並放出α射線。α射線可以有效殺死癌細胞，治療效果要比從外部用γ射線照射好得多。反應堆里的中子還可用於中子照相或者說中子成像。中子易於被輕物質散射，故中子照相用於檢查輕物質(例如炸藥、毒品等)特別有效，如果用χ光或超聲成像則檢查不出來。
類型
根據用途，核反應堆可以分為以下幾種類型
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。
生產放射性同位素的核反應堆。
生產核裂變物質的核反應堆，稱為生產堆。
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。
為發電而發生熱量的核反應，稱為發電堆。
用於推進船舶、飛機、火箭等到的核反應堆，稱為推進堆。
另外，核反應堆根據燃料類型分為天然氣鈾堆、濃縮鈾堆、釷堆；根據中子能量分為快中子堆和熱中子堆；根據冷卻劑(載熱劑)材料分為水冷堆、氣冷堆、有機液冷堆、液態金屬冷堆；根據慢化劑(減速劑)分為石墨堆、重水堆、壓水堆、沸水堆、有機堆、熔鹽堆、鈹堆；根據中子通量分為高通量堆和一般能量堆；根據熱工狀態分為沸騰堆、非沸騰堆、壓水堆；根據運行方式分為脈衝堆和穩態堆，等等。核反應堆概念上可有900多種設計，但現實上非常有限。
總之，由於反應堆是一個巨大的中子源，因此是進行基礎科學和套用科學研究的一種有效工具。其套用領域日益擴大，而且其套用潛力也很大，有待人們的進一步開發。
