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。