裂变反应堆 _生活百科

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裂变反应堆【裂变反应堆】裂变反应堆（fission reactor）是一种实现可控核裂变链式反应的装置。是核能工业中最重要的装置之一。1942年12月， E.费米领导的研究组建成了世界上第一座人工裂变反应堆，首次实现了可控核裂变链式反应。通常简称为反应堆。裂变反应堆主要有核燃料、减速剂、控制棒、冷却剂、反应层等组成。词条详细介绍了裂变反应堆的发展历史、工作原理、临界状态、组成、控制、禁止、类型以及反应堆的安全等。
基本介绍中文名：裂变反应堆
外文名：fission reactor
简称：反应堆
特徵：实现可控核裂变链式反应的装置
领域：能源、核能
学科：核化学、核物理
历史1938年O.哈恩和F.斯特拉斯曼发现了铀核裂变，接着科学家们就开始探索如何利用核裂变所放出的巨大能量。一个铀原子核裂变时放出约200兆电子伏的能量。比一个碳原子氧化时放出的能量（4.1eV）大5×107倍左右。要使裂变能有实际套用意义，必须有大量铀核裂变。铀核的裂变主要由中子引起，因此问题就归结为如何取得大量中子。由于铀核裂变后会放出几个中子，人们就想到了在成块物质中利用核裂变本身产生的中子来引起新的核裂变，使裂变反应持续进行，形成核链式反应。1942年12月， E.费米领导的研究组建成了世界上第一座人工裂变反应堆，首次实现了可控核裂变链式反应。接着美国首先利用反应堆把238U转化为239Pu ，作为核子弹的装料，製成了钸核子弹，后来又用反应堆作为动力源建成了核潜艇。反应堆主要为军事目的服务。从20世纪50年代中期起，世界上大量建造研究性反应堆，同时开始建造用于发电的核电站。核电站的燃料资源丰富，经济性好，燃料用量很小，优点很多。从60年代中期起，核动力发展迅速。截至2006年底，全世界共有443座核反应堆在运行，总装机容量达372,000兆瓦。

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裂变反应堆工作原理基于自持的裂变反应（即裂变链式反应）。如1个235U核吸收1箇中子后发生裂变，又放出2—3箇中子，除去消耗，至少还有一个中子能引起另一个235U核发生裂变，使裂变自持地进行下去。核裂变链式反应的进行过程基本上是一个以中子为媒介的，裂变核素部分质量转化为能量的过程（见核裂变）。

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裂变反应堆在反应堆内产生核链式反应的物质称为核燃料，又称裂变材料。只有能大量获得，且易吸收热中子并引起裂变的核素才能作为核燃料。这种核素有235U、233U和239Pu三种。只有235U存在于天然铀中，而233U和239Pu都要靠反应堆生产。利用反应堆产生核能需要解决：①为核裂变链式反应提供必要的条件，使链式反应能持续进行，并能利用反应中产生的能量。②能控制链式反应，使其按所需方式进行。③避免核裂变链式反应产生的中子或放射性物质危害工作人员和附近居民的健康。在反应堆内中子只有三种归宿：引起裂变、被吸收或逸出堆外。要实现核链式反应，就必须设法减少后两种损失。235U结合能小，俘获中子后形成的複合核，任何能量的中子都可使它裂变，且对热中子有很大的裂变截面；而238U结合能较大，只有能量超过1兆电子伏特的高能中子才能使它裂变，而且裂变截面不大。高能中子同238U核的主要作用是非弹性散射，大部分裂变中子都通过非弹性散射降低能量，再在多次碰撞中被238U核吸收，不能实现核链式反应。天然铀的主要成分是238U ，而235U仅占0.71% ，要利用天然铀实现核链式反应有两种途径：①用分离同位素的方法增加天然铀中235U的浓度，称浓缩铀或浓集铀。这样处理后，甚至用比较小的装置也能实现核链式反应；这种反应堆中引起裂变反应的中子能量可以高一些，因此能建成快中子反应堆；②将天然铀或低浓集铀製成较细的棒，插在减速剂（通常用吸收中子截面较小的，如水、重水和石墨等轻物质）中，使核裂变放出的高能中子很快减速到热能区。而235U热中子裂变截面比238U的热中子吸收截面要大200倍。这样就使足够数量的中子引起235U核裂变，以弥补235U含量较小的弱点。根据这种途径建立的反应堆称为热中子堆。现用于发电、供热、提供动力和研究的反应堆大都是这类堆。临界状态值为了防止过多的中子在引起裂变前逸出反应堆，反应堆要足够大，并具有足够多的燃料。通常把反应堆中通过裂变等过程得到的中子数同引起裂变的中子数之比称为中子增殖係数。核链式反应的规模维持不变的状态称为临界状态，此时堆芯的体积和堆核心燃料的质量分别称为临界体积和临界质量。堆芯的体积和核燃料的质量大于临界值时中子增殖係数大于1 ，核链式反应的规模就越来越大，这种状态称为超临界状态；反之，堆芯的体积和核燃料的质量小于临界值时中子增殖係数小于1 ，核链式反应的规模就越来越小，反应逐渐趋于停止，这种状态称为次临界状态。临界值对判断和控制裂变反应堆的运行状态有重要意义。反应堆的组成核燃料核燃料一般是浓缩铀，製成棒状，排列在堆芯，质量和体积都超过临界值。反应堆内具有特定形状和结构的核燃料称为燃料元件。反应堆的核心部分称为堆芯，又称活性区。堆芯主要由燃料元件、慢化剂和一些结构部件组成，还需有冷却剂流过堆芯。一般情况下，在堆芯周围设有反射层，把外逸的部分中子送回堆芯，以减少中子的损失。反射层以外是堆的壳体，再外面是禁止层。燃料元件是堆芯的主要部件。大多数反应堆採用圆棒形燃料元件，也有用片形、圆管形、球形、六角管形等元件的。它主要由裂变材料晶片（或芯体）和包壳组成。裂变材料应具有良好的辐照和化学稳定性、高导热係数和低膨胀係数（金属、合金、氧化物或碳化物等形式都可以套用）。可用天然铀，也可用浓缩铀作裂变材料，用钸作裂变材料时可单独使用，也可同铀混合使用。元件包壳起支撑结构作用，同时也用来防止裂变产物外逸污染冷却剂迴路，并防止冷却剂同裂变材料直接接触发生腐蚀等不利的化学反应。包壳材料要求对中子有较小的吸收截面，足够的机械强度，良好的热导率，耐辐照，同裂变材料和冷却剂在化学上能相容，价格低廉，易于加工。低温小功率反应堆可以用铝或其合金做元件包壳，核电站用反应堆一般用锆合金做包壳，也有用不鏽钢的，在温度高达700℃以上的高温气冷堆中则用石墨做燃料包壳。