核反應(yīng)堆（實(shí)現(xiàn)核能利用的裝置）
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核反應(yīng)堆
實(shí)現(xiàn)核能利用的裝置
核反應(yīng)堆，又稱為原子能反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是能維持可控自持鏈?zhǔn)?/span>核裂變反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)核能利用的裝置。核反應(yīng)堆通過(guò)合理布置核燃料，使得在無(wú)需補(bǔ)加中子源的條件下能在其中發(fā)生自持鏈?zhǔn)?/span>核裂變過(guò)程。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，反應(yīng)堆這一術(shù)語(yǔ)應(yīng)覆蓋裂變堆、聚變堆、裂變混合堆，但一般情況下僅指裂變堆。
人類第一臺(tái)核反應(yīng)堆由美國(guó)籍意大利著名物理學(xué)家恩利克·費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)的小組于1942年12月（曼哈頓計(jì)劃期間）在世界頂級(jí)學(xué)府芝加哥大學(xué)建成，命名為芝加哥一號(hào)堆（Chicago Pile-1）。該反應(yīng)堆是采用鈾裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，開(kāi)啟了人類原子能時(shí)代，芝加哥大學(xué)也因此成為人類“原子能誕生地”。
基本信息
| 中文名 | 核反應(yīng)堆 |
| 外文名 | Nuclear Reactor |
| 別名 | 原子能反應(yīng)堆或反應(yīng)堆 |
| 原理 | 可控自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng) |
| 所屬學(xué)科 | 核化學(xué) |
| 主要構(gòu)成物質(zhì) | 原子 |
| 領(lǐng)域 | 核能 |
收起
歷史沿革
早在1929年，科克羅夫特就利用質(zhì)子成功地實(shí)現(xiàn)了原子核的變換。但是，用質(zhì)子引起核反應(yīng)需要消耗非常多的能量，使質(zhì)子與目標(biāo)的原子核碰撞命中的機(jī)會(huì)也非常之少。
1938年，德國(guó)人奧托·哈恩和休特洛斯二人成功地使中子和鈾原子發(fā)生了碰撞。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有著非常重大的意義，它不僅使鈾原子簡(jiǎn)單地發(fā)生了分裂，而且裂變后總的質(zhì)量減少，同時(shí)放出能量。尤其重要的是鈾原子裂變時(shí)，除裂變碎片之外還射出2至3個(gè)中子，這個(gè)中子又可以引起下一個(gè)鈾原子的裂變，從而發(fā)生連鎖反應(yīng)。
1939年1月，用中子引起鈾原子核裂變的消息傳到費(fèi)米的耳朵里，當(dāng)時(shí)他已逃亡到美國(guó)哥倫比亞大學(xué)，費(fèi)米不愧是個(gè)天才科學(xué)家，他一聽(tīng)到這個(gè)消息，馬上就直觀地設(shè)想了原子反應(yīng)堆的可能性，開(kāi)始為它的實(shí)現(xiàn)而努力。費(fèi)米組織了一支研究隊(duì)伍，對(duì)建立原子反應(yīng)堆問(wèn)題進(jìn)行徹底的研究。費(fèi)米與助手們一起，經(jīng)常通宵不眠地進(jìn)行理論計(jì)算，思考反應(yīng)堆的形狀設(shè)計(jì)，
1942年12月2日曼哈頓計(jì)劃期間，費(fèi)米的研究組人員全體集合在美國(guó)芝加哥大學(xué)Stagger Field 的一個(gè)巨大石墨型反應(yīng)堆前面。這時(shí)由費(fèi)米發(fā)出信號(hào)，緊接著從那座埋沒(méi)在石墨之間的7噸鈾燃料構(gòu)成的巨大反應(yīng)堆里，控制棒緩慢地被拔了出來(lái)，隨著計(jì)數(shù)器發(fā)出了咔嚓咔嚓的響聲，到控制棒上升到一定程度，計(jì)數(shù)器的聲音響成了一片，這說(shuō)明連鎖反應(yīng)開(kāi)始了。這是人類第一次釋放并控制了原子能的時(shí)刻，這個(gè)反應(yīng)堆被命名為“芝加哥一號(hào)堆"（Chicago Pile-1）。
1954年前蘇聯(lián)建成世界上第一座原子能發(fā)電站利用濃縮鈾作燃料，采用石墨水冷堆，電輸出功率為5000千瓦。1956年，英國(guó)也建成了原子能電站。原子能電站的發(fā)展并非一帆風(fēng)順，不少人對(duì)核電站的放射性污染問(wèn)題感到憂慮和恐懼，因此出現(xiàn)了反核電運(yùn)動(dòng)。其實(shí)，在嚴(yán)格的科學(xué)管理之下，原子能是安全的能源。原子能發(fā)電站周圍的放射性水平，同天然本底的放射性水平實(shí)際并沒(méi)有多大差別。
1979年3月，美國(guó)三里島原子能發(fā)電站由于操作錯(cuò)誤和設(shè)備失靈，造成了原子能開(kāi)發(fā)史上空前未有的嚴(yán)重事故。然而，由于反應(yīng)堆的停堆系統(tǒng)、應(yīng)急冷卻系統(tǒng)和安全殼等安全措施發(fā)揮了作用，結(jié)果放射性外逸量微乎其微，人和環(huán)境沒(méi)有受到什么影響，充分說(shuō)明現(xiàn)代科技的發(fā)展已能保證原子能的安全利用。
理論研究
20億年前，在非洲奧克羅班多地區(qū)的十幾座天然核反應(yīng)堆神秘啟動(dòng)，穩(wěn)定地輸出能量，并安全運(yùn)轉(zhuǎn)了幾十萬(wàn)年之久。為什么它們沒(méi)有在爆炸中自我摧毀？是誰(shuí)保證了這些核反應(yīng)的安全運(yùn)行？莫非它們真的如世間的傳言那樣，是外星人造訪的證據(jù)，或者是上一代文明的杰作？通過(guò)對(duì)遺跡抽絲剝繭地分析，遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆的真相正越來(lái)越清晰地暴露在我們面前。
1972年5月，法國(guó)一座核燃料處理廠的一名工人
注意到了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)他正對(duì)一塊鈾礦石進(jìn)行常規(guī)分析，這塊礦石采自一座看似普通的鈾礦。與所有的天然鈾礦一樣，該礦石含有3種鈾同位素──換句話說(shuō)，其中的鈾元素以3種不同的形態(tài)存在，它們的原子量各不相同：含量最豐富的是鈾238；最稀少的是鈾234；而令人們垂涎三尺，能夠維持核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(chain reaction)的同位素，則是鈾235。在地球上幾乎所有的地方，甚至在月球上或隕石中，鈾235同位素的原子數(shù)量在鈾元素總量中占據(jù)的比例始終都是0.720%。不過(guò)，在這些采自非洲加蓬的礦石樣品中，鈾235的含量?jī)H有0.717%！盡管差異如此細(xì)微，卻引起了法國(guó)科學(xué)家的警惕，這其中一定發(fā)生過(guò)某種怪事。進(jìn)一步的分析顯示，從該礦采來(lái)的一部分礦石中，鈾235嚴(yán)重缺斤短兩：大約有200千克不翼而飛——足夠制造6枚原子彈。
核反應(yīng)堆理論研究
黑田和夫認(rèn)為，自持裂變反應(yīng)能夠發(fā)生的第一個(gè)條件就是，鈾礦礦脈的大小必須超過(guò)誘發(fā)裂變的中子在礦石中穿行的平均距離，也就是0.67米左右。這個(gè)條件可以保證，裂變的原子核釋放的中子在逃離礦脈之前，就能被其他鈾原子核吸收。
第二個(gè)必要條件是，鈾235必須足夠豐富。今天，即使是儲(chǔ)量最大、濃度最高的鈾礦礦脈也無(wú)法成為一座核反應(yīng)堆，因?yàn)殁?35的濃度過(guò)低，甚至連1%都不到。不過(guò)這種同位素具有放射性，它的衰變速率比鈾238快大約6倍，因此在久遠(yuǎn)地過(guò)去，這種更容易衰變的同位素所占的比例肯定高得多。例如，20億年前奧克羅鈾礦脈形成的時(shí)候，鈾235所占的比例接近3%，與當(dāng)前大多數(shù)核電站中使用的、人工提純的濃縮鈾燃料的濃度大致相當(dāng)。
第三個(gè)重要因素是，必須存在某種中子“慢化劑”(moderator)，減慢鈾原子核裂變時(shí)釋放的中子的運(yùn)動(dòng)速度，從而使這些中子在誘使鈾原子核分裂時(shí)，更加得心應(yīng)手。最終，礦脈中不能出現(xiàn)大量的硼、鋰或其他“毒素”，這些元素會(huì)吸收中子，因此可以令任何核裂變反應(yīng)戛然而止。
最終，研究人員在奧克羅和鄰近的奧克羅班多地區(qū)的鈾礦中，確定了16個(gè)相互分離的區(qū)域——20億年前，那里的真實(shí)環(huán)境，居然與黑田和夫描繪的大致情況驚人地相似。盡管這些區(qū)域早在幾十年前就被全部辨認(rèn)出來(lái)，但是遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的種種細(xì)節(jié)，直到才被我和同事徹底揭開(kāi)。
氫元素提供證據(jù)
重元素分裂產(chǎn)生的氫元素提供了確鑿無(wú)疑的證據(jù)：奧克羅鈾礦在20億年前確實(shí)發(fā)生過(guò)自持核裂變反應(yīng)，而且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十萬(wàn)年。
奧克羅的鈾異常情況被發(fā)現(xiàn)之后不久，物理學(xué)家就確定，天然的裂變反應(yīng)導(dǎo)致了鈾235的損耗。一個(gè)重原子核一分為二時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較輕的新元素。找到這些元素，就等于找到了核裂變確鑿無(wú)疑的證據(jù)。事實(shí)證明，這些分裂產(chǎn)物的含量如此之高，因此除了核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以外，不可能存在其他任何解釋。這場(chǎng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)很像1942年恩里科·費(fèi)米(Enrico Fermi)及其同事所做的那場(chǎng)著名演示(當(dāng)時(shí)他們建成了世界上第一座可控原子核裂變鏈反應(yīng)堆)，反應(yīng)全靠自己的力量維持運(yùn)轉(zhuǎn)，只是時(shí)間上提早了20億年。
如此令人震驚的發(fā)現(xiàn)公布后不久，世界各地的物理學(xué)家便開(kāi)始研究這些天然核反應(yīng)堆的證據(jù)，并在1975年加蓬首都利伯維爾的一次特別會(huì)議上，分享了他們關(guān)于“奧克羅現(xiàn)象”的研究成果。第二年，代表美國(guó)出席那次會(huì)議的喬治·A·考恩(George A. Cowan，順便提及，他是美國(guó)著名的圣菲研究所的創(chuàng)建者之一，至今仍是該研究所的成員)為《科學(xué)美國(guó)人》撰寫(xiě)了一篇文章(參見(jiàn)1976年7月號(hào)喬治·A·考恩所著《天然核裂變反應(yīng)堆》一文)，文中他講解了當(dāng)時(shí)的科學(xué)家對(duì)這些遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆運(yùn)行原理的猜測(cè)。
比如，考恩描述了钚239的形成過(guò)程——數(shù)量更加豐富的鈾238捕獲了鈾235裂變釋放的一些中子，轉(zhuǎn)變?yōu)殁?39，然后再釋放出兩個(gè)電子，轉(zhuǎn)化成钚239。在奧克羅鈾礦中，曾經(jīng)產(chǎn)生過(guò)超過(guò)兩噸的钚239。不過(guò)這種同位素后來(lái)幾乎全都消失了(主要是通過(guò)天然的放射性衰變，钚239的半衰期為2.4萬(wàn)年)，一些钚自身也經(jīng)歷了裂變，它所特有的裂變產(chǎn)物證明了這一點(diǎn)。這些輕元素豐富的含量讓科學(xué)家推測(cè)，裂變反應(yīng)一定持續(xù)了幾十萬(wàn)年之久。根據(jù)鈾235消耗的數(shù)量，他們計(jì)算出了反應(yīng)堆釋放的總能量，大概相當(dāng)于1,500萬(wàn)千瓦的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)一整年所消耗的能量；再結(jié)合一些其他的證據(jù)，就能推算出反應(yīng)堆的平均輸出功率：不超過(guò)100千瓦，足夠維持幾十只烤箱的運(yùn)作。
十幾座天然反應(yīng)堆自發(fā)工作，并維持著適度的功率輸出，運(yùn)轉(zhuǎn)了大約幾十萬(wàn)年之久，這確實(shí)令人驚嘆。為什么這些礦脈沒(méi)有發(fā)生爆炸，沒(méi)有在核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)啟動(dòng)后立即自我摧毀？是什么機(jī)制使它們擁有了必不可少的自我調(diào)節(jié)能力？這些反應(yīng)堆是穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，還是間歇式發(fā)作？自?shī)W克羅現(xiàn)象最初發(fā)現(xiàn)以來(lái)，這些問(wèn)題遲遲得不到解答。實(shí)際上，最后一個(gè)問(wèn)題困擾了人們長(zhǎng)達(dá)30年之久，直到我和我在美國(guó)華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的同事檢測(cè)了一塊來(lái)自這個(gè)神秘非洲鈾礦的礦石之后，謎底才被逐漸揭開(kāi)。
惰性氣體揭露謎底
在奧克羅反應(yīng)堆遺跡中，氙同位素的構(gòu)成比例出現(xiàn)異常。找出這種異常的根源，就能揭開(kāi)遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆的運(yùn)作之謎。
奧克羅的一個(gè)反應(yīng)堆遺跡進(jìn)行了研究，重點(diǎn)集中在對(duì)氙氣的分析方面。氙是一種較重的惰性氣體(inert gas)，可以被礦物封存數(shù)十億年之久。氙有9種穩(wěn)定同位素，由不同的核反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生，含量各不相同。作為一種惰性氣體，它很難與其他元素形成化學(xué)鍵，因此很容易將它們提純，進(jìn)行同位素分析。氙的含量非常稀少，科學(xué)家可以用它來(lái)探測(cè)和追溯核反應(yīng)，甚至用來(lái)研究那些發(fā)生于太陽(yáng)系形成之前的、原始隕石之中的核反應(yīng)。
分析氙的同位素成分需要一臺(tái)質(zhì)譜儀(mass spectrometer)，它可以根據(jù)原子量(atomic weight)的不同而分離出不同的原子。我有幸可以使用一臺(tái)極其精確的氙質(zhì)譜儀，那是我在華盛頓大學(xué)的同事查爾斯·M·霍恩貝格(Charles M. Hohenberg)制造的。不過(guò)在使用他的儀器之前，我們必須先把氙氣從樣品中提取出來(lái)。通常，科學(xué)家只須將寄主礦物加熱到它的熔點(diǎn)以上，巖石就會(huì)失去晶體結(jié)構(gòu)，無(wú)法再保留內(nèi)部?jī)?chǔ)藏的氙氣。為了獲得更多關(guān)于這種氣體起源和封存過(guò)程的信息，我們采取了一種更加精巧的方法——激光萃取法(laser extraction)，它可以有針對(duì)性地從礦物樣品的個(gè)別顆粒中釋放出氙氣，而不會(huì)觸碰周圍其他的部分。
我們可以利用的唯一一塊奧克羅礦石碎塊僅有1毫米厚、4毫米寬，我們把這種技術(shù)應(yīng)用到碎塊上的許多微小斑點(diǎn)之上。當(dāng)然，我們首先需要決定將激光束聚焦到什么位置。在這方面，我和霍恩貝格得到了同事奧爾加·普拉夫迪夫切娃(Olga Pravdivtseva)的鼎力相助，她為我們的樣本拍攝了一張?jiān)敱M的X射線照片，識(shí)別出了候選的礦物。每次萃取之后，我們都會(huì)將得到的氣體提純，然后把氙氣放入霍恩貝格的質(zhì)譜儀中，儀器會(huì)顯示出每一種同位素的原子數(shù)目。
氙氣出現(xiàn)的位置令我們大吃一驚，它并不像我們想象的那樣，大量分布在富含鈾元素的礦物顆粒之中，儲(chǔ)藏氙氣數(shù)量最多的竟然是根本不含鈾元素的磷酸鋁顆粒。非常明顯，在發(fā)現(xiàn)的所有天然礦物之中，這些顆粒中的氙濃度是最高的。第二個(gè)令人驚訝之處在于，與通常由核反應(yīng)產(chǎn)生的氣體相比，萃取出來(lái)的氣體在同位素組成上有顯著的不同。核裂變一定會(huì)產(chǎn)生氙136和氙134，但在奧克羅礦石中，這兩種同位素似乎缺失嚴(yán)重，而其他較輕的氙同位素含量則變化不大。
同位素構(gòu)成比例上的這種差異是如何產(chǎn)生的呢？化學(xué)反應(yīng)無(wú)法提供答案，因?yàn)樗型凰氐幕瘜W(xué)性質(zhì)都完全相同。那么核反應(yīng)，比如說(shuō)中子俘獲過(guò)程(neutron capture)，能不能給出解釋呢？經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，我和同事們把這種可能性也排除了。我們還考慮過(guò)不同同位素的物理分選過(guò)程：較重的原子移動(dòng)速度比較輕的原子稍慢一些，有時(shí)它們就會(huì)相互分離開(kāi)來(lái)。鈾濃縮裝置就是利用這個(gè)過(guò)程來(lái)生產(chǎn)反應(yīng)堆燃料的，不過(guò)需要相當(dāng)高的技術(shù)水平才能建造出這樣的工業(yè)設(shè)備。即使自然界能夠奇跡般地在微觀尺度上創(chuàng)造出類似的“裝置”，仍然無(wú)法解釋我們所研究的磷酸鋁顆粒中混合在一起的氙同位素比例。舉例來(lái)說(shuō)，如果確實(shí)發(fā)生過(guò)物理分選的話，考慮到現(xiàn)有的氙132的含量，氙136(比氙132重4個(gè)原子質(zhì)量單位)的缺失，應(yīng)該是氙134(比氙132重2個(gè)原子質(zhì)量單位)的兩倍。但實(shí)際上，我們并沒(méi)有看到那樣的模式。
絞盡腦汁之后，我們終于想通了產(chǎn)生氙同位素構(gòu)成比例異常的原因。我們所測(cè)量的所有氙同位素都不是鈾裂變的直接產(chǎn)物。相反，它們是放射性碘同位素衰變的產(chǎn)物，碘則由放射性碲衰變而來(lái)，而碲又由別的元素衰變產(chǎn)生，這是一個(gè)著名的核反應(yīng)序列，最終的產(chǎn)物才是穩(wěn)定的氙氣。
我們的突破點(diǎn)在于，我們意識(shí)到奧克羅樣品中不同的氙同位素產(chǎn)生于不同的時(shí)期，它們所遵循的時(shí)間表由它們的母元素碘和再上一代的元素碲的半衰期所決定。某種特定的放射性前體(precursor，即一系列反應(yīng)過(guò)程的中間產(chǎn)物)存在的時(shí)間越長(zhǎng)，它們形成氙的過(guò)程就被拖延得越久。例如，在奧克羅的自持裂變反應(yīng)開(kāi)始后，氙136僅過(guò)了大約1分鐘就開(kāi)始生成；一個(gè)小時(shí)后，稍輕一些的穩(wěn)定同位素氙134出現(xiàn)；接下來(lái)，在裂變開(kāi)始的若干天后，氙132和氙131登場(chǎng)亮相；最終，幾百萬(wàn)年之后，氙129才得以形成——此時(shí)，核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)早已停止很久了。
如果奧克羅礦脈一直處于封閉狀態(tài)，那么在它的天然反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)期間積聚起來(lái)的氙氣，就會(huì)保持核裂變所產(chǎn)生的正常同位素比例，并一直保存至今。但是，科學(xué)家沒(méi)有理由認(rèn)為，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)是封閉的。實(shí)際上，有充分的原因讓人猜想，它不是封閉的。奧克羅反應(yīng)堆可以通過(guò)某種方式自行調(diào)節(jié)核反應(yīng)，這個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)提供了間接的證據(jù)。最可能的調(diào)節(jié)機(jī)制與地下水的活動(dòng)有關(guān)：當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，水會(huì)被煮沸蒸發(fā)掉。水在核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中起到了中子慢化劑的作用，如果水不見(jiàn)了，核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就會(huì)暫時(shí)停止。只有當(dāng)溫度下降，足夠的地下水再次滲入之后，反應(yīng)區(qū)域才會(huì)繼續(xù)開(kāi)始發(fā)生裂變。
這種關(guān)于奧克羅反應(yīng)堆如何運(yùn)轉(zhuǎn)的說(shuō)法強(qiáng)調(diào)了兩個(gè)要點(diǎn)：第一，核反應(yīng)很可能以某種方式時(shí)斷時(shí)續(xù)地發(fā)生；第二，必定有大量的水流過(guò)這些巖石——足夠沖洗掉一些氙的前體，比如可溶于水的碲和碘。水的存在有助于解釋這樣一個(gè)問(wèn)題：為什么大多數(shù)氙當(dāng)前留存于磷酸鋁顆粒中，而沒(méi)有出當(dāng)前富含鈾元素的礦物里——要知道，裂變反應(yīng)最初是在這里生成那些放射性前體的。氙氣不會(huì)簡(jiǎn)單地從一組早已存在的礦物中遷移到另一組礦物里——在奧克羅反應(yīng)堆開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)之前，磷酸鋁礦物很可能還不存在。實(shí)際上，那些磷酸鋁顆粒可能是就地形成的，一旦被核反應(yīng)加熱的水冷卻到300℃左右，磷酸鋁顆粒就會(huì)形成。
在奧克羅反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)的每個(gè)活躍期和隨后溫度仍然很高的一段時(shí)間里，大量的氙氣(包括形成速度相對(duì)較快的氙136和氙134)會(huì)被趕走。等到反應(yīng)堆冷卻時(shí)，半衰期更長(zhǎng)的氙前體(也就是最后會(huì)產(chǎn)生含量比較豐富的氙132、氙131和氙129的放射性前體)則會(huì)優(yōu)先與正在形成的磷酸鋁顆粒結(jié)合起來(lái)。隨著更多的水回到反應(yīng)區(qū)域，中子被適當(dāng)?shù)芈炎兎磻?yīng)再度恢復(fù)，使這種加熱和冷卻的循環(huán)周而復(fù)始地重復(fù)下去。由此產(chǎn)生的結(jié)果，就是我們所觀察到的、奇特的氙同位素構(gòu)成比例。
什么力量能讓氙氣在磷酸鋁礦物中留存20億年之久呢？再進(jìn)一步，為什么在某次反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生的氙氣，沒(méi)有在下一次運(yùn)轉(zhuǎn)期間被清除呢？對(duì)于這些問(wèn)題，我們還沒(méi)有找到確切的答案。據(jù)推測(cè)，氙可能被囚禁在磷酸鋁礦物的籠狀結(jié)構(gòu)中，這種結(jié)構(gòu)即使在很高的溫度下，也能夠容納籠中產(chǎn)生的氙氣。盡管具體細(xì)節(jié)仍不清楚，但不管最終的答案如何，有一點(diǎn)是明確無(wú)誤的：磷酸鋁俘獲氙氣的能力真是令人驚嘆。
間歇式核反應(yīng)堆
遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆猶如今天的間歇泉，有著天然形成的自我調(diào)節(jié)機(jī)制。它們?cè)?/span>核廢料處置和基礎(chǔ)物理研究方面，給科學(xué)家們提供了全新的思路。
在搞清了觀測(cè)到的氙同位素在磷酸鋁中產(chǎn)生的基本過(guò)程之后，我和我的同事們?cè)噲D從數(shù)學(xué)上為這個(gè)過(guò)程建立一個(gè)模型。這個(gè)計(jì)算揭示了有關(guān)反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的更多信息，所有的氙同位素都提供了大致相同的答案。我們研究的那個(gè)奧克羅反應(yīng)堆每次“開(kāi)啟”30分鐘，然后再“關(guān)閉”至少2.5小時(shí)。這樣的模式猶如我們所看到的一些間歇泉，先是緩慢地加熱，然后在一場(chǎng)壯觀的噴發(fā)中將積蓄的地下水統(tǒng)統(tǒng)蒸騰而出，接著再重新蓄水，開(kāi)始新一輪循環(huán)，日復(fù)一日、年復(fù)一年地持續(xù)下去。這種相似性支持了這樣的觀點(diǎn)：流經(jīng)奧克羅礦脈的地下水不僅充當(dāng)著中子慢化劑的角色，還不時(shí)會(huì)被蒸發(fā)殆盡，形成保護(hù)這些天然反應(yīng)堆不至于自我摧毀的調(diào)節(jié)機(jī)制。在這方面，這種調(diào)節(jié)機(jī)制十分有效，數(shù)十萬(wàn)年間沒(méi)有發(fā)生一次熔毀或爆炸事件。
人們大概會(huì)設(shè)想，從事核電工業(yè)的工程師也許能在奧克羅學(xué)到一兩樣本事。他們確實(shí)能學(xué)到東西，不過(guò)不一定是有關(guān)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的，更重要的也許是處置核廢料的方法。畢竟，奧克羅就像一個(gè)地質(zhì)儲(chǔ)藏室那樣運(yùn)轉(zhuǎn)了如此漫長(zhǎng)的時(shí)間，這就是科學(xué)家要細(xì)致入微地進(jìn)行調(diào)查的原因，他們想知道裂變的各種產(chǎn)物如何從這些天然核反應(yīng)堆中遷移出來(lái)。他們還仔細(xì)檢查了另一處類似的遠(yuǎn)古核裂變區(qū)域，這個(gè)地點(diǎn)是通過(guò)勘探鉆井發(fā)現(xiàn)的，位于大約35千米以外的一個(gè)叫作班哥貝(Bangombe)的地方。班哥貝反應(yīng)堆之所以特別引人注目，是因?yàn)樗穆癫匚恢帽葕W克羅及奧克羅班多地區(qū)的露天鈾礦更淺，因此有更多的水流過(guò)那里。總之，調(diào)查得出的結(jié)論令我們信心倍增：多種危險(xiǎn)的核廢料都能夠成功地被隔離于地下。
奧克羅還演示了一種方法，能夠儲(chǔ)存那些一度被認(rèn)為肯定會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染的核廢料。自從核能發(fā)電問(wèn)世以來(lái)，核電站產(chǎn)生的大量放射性氙135、氪85和其他惰性氣體，都被釋放到大氣之中。天然裂變反應(yīng)堆表明，磷酸鋁礦物擁有一種獨(dú)一無(wú)二的能力，能夠俘獲和儲(chǔ)存這些氣體廢料達(dá)幾十億年之久，把這些廢氣封存在這種礦物之中也許是可行的。
奧克羅反應(yīng)堆還向科學(xué)家們透露了這樣的訊息：他們?cè)?jīng)認(rèn)定為基本物理常數(shù)的α(阿爾法，控制著諸如光速這樣的宇宙參數(shù))，可能曾發(fā)生過(guò)改變。過(guò)去30年來(lái)，發(fā)生在20億年前的奧克羅現(xiàn)象一直被用來(lái)駁斥α曾經(jīng)發(fā)生過(guò)改變的觀點(diǎn)。但是2005年，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的史蒂文·K·拉蒙諾(Steven K. Lamoreaux)和賈斯廷·R·托格森(Justin R. Torgerson)卻根據(jù)奧克羅現(xiàn)象推斷，這一“常數(shù)”確實(shí)發(fā)生了明顯改變(而且十分奇怪的是，他們得出的常數(shù)改變方向與其他人得出的結(jié)論相反)。對(duì)于拉蒙諾和托格森的計(jì)算來(lái)說(shuō)，奧克羅運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的一些細(xì)節(jié)十分關(guān)鍵，從這個(gè)角度上來(lái)講，我和我的同事們所做的工作，也許有助于闡明這個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。
加蓬的這些遠(yuǎn)古反應(yīng)堆是地球曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的唯一天然反應(yīng)堆嗎？20億年前，自持裂變所需的條件并不十分罕見(jiàn)，有朝一日，我們或許能夠發(fā)現(xiàn)其他的天然反應(yīng)堆。我想，一絲泄露天機(jī)的氙氣，將給這項(xiàng)搜尋工作帶來(lái)極大的幫助。
原理
核反應(yīng)堆
原子由原子核與核外電子組成。原子核由質(zhì)子與中子組成。當(dāng)鈾235的原子核受到外來(lái)中子轟擊時(shí)，一個(gè)原子核會(huì)吸收一個(gè)中子分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)放出2—3個(gè)中子。這裂變產(chǎn)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(xù)進(jìn)行就是裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生大量熱能。用循環(huán)水(或其他物質(zhì))帶走熱量才能避免反應(yīng)堆因過(guò)熱燒毀。導(dǎo)出的熱量可以使水變成水蒸氣，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。由此可知，核反應(yīng)堆最基本的組成是裂變?cè)雍?載熱體。但是只有這兩項(xiàng)是不能工作的。因?yàn)?，高速中子?huì)大量飛散，這就需要使中子慢化增加與原子核碰撞的機(jī)會(huì)；核反應(yīng)堆要依人的意愿決定工作狀態(tài)，這就要有控制設(shè)施；鈾及裂變產(chǎn)物都有強(qiáng)放射性，會(huì)對(duì)人造成傷害，因此必須有可靠的防護(hù)措施；核反應(yīng)堆發(fā)生事故時(shí)，要防止各種事故工況下輻射泄漏，所以反應(yīng)堆還需要各種安全系統(tǒng)。綜上所述，核反應(yīng)堆的合理結(jié)構(gòu)應(yīng)該是：核燃料+慢化劑+載熱體+控制設(shè)施+防護(hù)裝置+安全設(shè)施。
還需要說(shuō)明的是，鈾礦石不能直接做核燃料。鈾礦石要經(jīng)過(guò)精選、碾碎、酸浸、濃縮等程序，制成有一定鈾含量、一定幾何形狀的鈾棒或者球狀燃料才能參與反應(yīng)堆工作。
類型
核反應(yīng)堆
①將中子束用于實(shí)驗(yàn)或利用中子束的核反應(yīng)，包括研究堆、材料實(shí)驗(yàn)等。
②生產(chǎn)放射性同位素的核反應(yīng)堆。
③生產(chǎn)核裂變物質(zhì)的核反應(yīng)堆，稱為生產(chǎn)堆。
④提供取暖、海水淡化、化工等用的熱量的核反應(yīng)堆，比如多目的堆。
⑤為發(fā)電而發(fā)生熱量的核反應(yīng)，稱為發(fā)電堆。
⑥用于推進(jìn)船舶、飛機(jī)、火箭等到的核反應(yīng)堆，稱為動(dòng)力堆。
另外，核反應(yīng)堆根據(jù)燃料類型分為天然鈾堆、濃縮鈾堆、釷堆；根據(jù)中子能量分為快中子堆和熱中子堆；根據(jù)冷卻劑(載熱劑)材料分為水冷堆、氣冷堆、有機(jī)液冷堆、液態(tài)金屬冷堆；根據(jù)慢化劑分 為石墨堆、水冷堆、有機(jī)堆、熔鹽堆、鈉冷堆；根據(jù)中子通量分為高通量堆和一般能量堆；根據(jù)熱工狀態(tài)分為沸騰堆、非沸騰堆、壓水堆；根據(jù)運(yùn)行方式分為脈沖堆和穩(wěn)態(tài)堆，等等。核反應(yīng)堆概念上可有900多種設(shè)計(jì)，但現(xiàn)實(shí)上非常有限。
按照歷史年代分類
前蘇聯(lián)于1954年建成了世界上第一座原子能發(fā)電站，掀開(kāi)了人類和
平利用原子能的新的一頁(yè)。英國(guó)和美國(guó)分別于1956年和1959年建成原子能發(fā)電站。到2004.9.28，在世界上31個(gè)國(guó)家和地區(qū)，有439座發(fā)電用原子能反應(yīng)堆在運(yùn)行，總?cè)萘繛?64.6百萬(wàn)千瓦，約占世界發(fā)電總?cè)萘康?6%。其中，法國(guó)建成59座發(fā)電用原子能反應(yīng)堆，原子能發(fā)電量占其整個(gè)發(fā)電量的78%；日本建成54座，原子能發(fā)電量占其整個(gè)發(fā)電量的25%；美國(guó)建成104座，原子能發(fā)電量占其整個(gè)發(fā)電量的20%；俄羅斯建成29座，原子能發(fā)電量占其整個(gè)發(fā)電量的15%。我國(guó)于1991年建成第一座原子能發(fā)電站，包括這一座在內(nèi)，當(dāng)前投入運(yùn)行的有9座發(fā)電用原子能反應(yīng)堆，總?cè)萘繛?60萬(wàn)千瓦。我國(guó)另有2座反應(yīng)堆在建設(shè)中。我國(guó)還為巴基斯坦建成一座原子能發(fā)電站。
現(xiàn)代核反應(yīng)堆
第一代（GEN-I）核電站是早期的原型堆電站，即1950年至1960年前期開(kāi)發(fā)的輕水堆（light water reactors,LWR）核電站，如美國(guó)的希平港(Shippingport)壓水堆（pressurized-water reactor,PWR）、德累斯頓(Dresden)沸水堆(boiling water reactor,BWR)以及英國(guó)的鎂諾克斯(Magnox)石墨氣冷堆等。
第二代（GEN-Ⅱ）核電站是1960年后期到1990年前期在第一代核電站基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)建設(shè)的大型商用核電站，如LWR（PWR，BWR）、加拿大坎度堆（CANDU）、蘇聯(lián)的壓水堆VVER/RBMK等。到1998年為止，世界上的大多數(shù)核電站都屬于第二代核電站。
第三代（GEN-Ⅲ）是指滿足更高的安全性指標(biāo)的先進(jìn)核電站，要求安全性指標(biāo)達(dá)到URD的要求。第三代核電站采用標(biāo)準(zhǔn)化、最佳化設(shè)計(jì)和安全性更高的非能動(dòng)安全系統(tǒng)，如先進(jìn)的沸水堆（advanced boiling water reactors,ABWR）、系統(tǒng)80+、AP600、歐洲壓水堆（European pressurized reactor,EPR）等。
第四代（GEN-Ⅳ）是待開(kāi)發(fā)的安全性更高的核電站，其目標(biāo)是到2030年達(dá)到實(shí)用化的程度，主要特征是經(jīng)濟(jì)性高（與天燃?xì)饣鹆Πl(fā)電站相當(dāng)）、安全性好、廢物產(chǎn)生量小，并能防止核擴(kuò)散。
2002年9月19日至20日在東京召開(kāi)的GIF（第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇Generation IV International Forum,GIF）會(huì)議上，與會(huì)的10個(gè)國(guó)家在94個(gè)概念堆的基礎(chǔ)上，一致同意開(kāi)發(fā)以下六種第四代核電站概念堆系統(tǒng)。
按照冷卻方式分類
氣冷快堆
氣冷快堆（gas-cooled fast reactor,GFR）系統(tǒng)是快中子譜氦冷反應(yīng)堆，采用閉式燃料循環(huán)，燃料可選擇復(fù)合陶瓷燃料。它采用直接循環(huán)氦氣輪機(jī)發(fā)電，或采用其工藝熱進(jìn)行氫的熱化學(xué)生產(chǎn)。通過(guò)綜合利用快中子譜與錒系元素的完全再循環(huán)，GFR能將長(zhǎng)壽命放射性廢物的產(chǎn)生量降到最低。此外，其快中子譜還能利用現(xiàn)有的裂變材料和可轉(zhuǎn)換材料（包括貧鈾）。參考反應(yīng)堆是288兆瓦的氦冷系統(tǒng)，出口溫度為850℃。
液態(tài)金屬冷卻快堆
鉛合金液態(tài)金屬冷卻快堆(lead-cooled fast reactor,LFR)系統(tǒng)是快中子譜鉛（鉛/鉍共晶）液態(tài)金屬冷卻堆，采用閉式燃料循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)可轉(zhuǎn)換鈾的有效轉(zhuǎn)化，并控制錒系元素。燃料是含有可轉(zhuǎn)換鈾和超鈾元素的金屬或氮化物。
LFR系統(tǒng)的特點(diǎn)是可在一系列電廠額定功率中進(jìn)行選擇，例如LFR系統(tǒng)可以是一個(gè)1200兆瓦的大型整體電廠，也可以選擇額定功率在300～400兆瓦的模塊系統(tǒng)與一個(gè)換料間隔很長(zhǎng)（15～20年）的50～100兆瓦的組合。LFR是一個(gè)小型的工廠制造的交鑰匙電廠，可滿足市場(chǎng)上對(duì)小電網(wǎng)發(fā)電的需求。
液態(tài)鈉冷卻快堆（sodium-cooled fast reactor,SFR）系統(tǒng)是快中子譜鈉冷堆，它采用可有效控制錒系元素及可轉(zhuǎn)換鈾的轉(zhuǎn)化的閉式燃料循環(huán)。SFR系統(tǒng)主要用于管理高放射性廢棄物，尤其在管理钚和其他錒系元素方面。該系統(tǒng)有兩個(gè)主要方案：中等規(guī)模核電站，即功率為150～500兆瓦，燃料用鈾-钚-次錒系元素-鋯合金；中到大規(guī)模核電站，即功率為500～1 500兆瓦，使用鈾-钚氧化物燃料。
該系統(tǒng)由于具有熱響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、冷卻劑沸騰的裕度大、一回路系統(tǒng)在接近大氣壓下運(yùn)行，并且該回路的放射性鈉與電廠的水和蒸汽之間有中間鈉系統(tǒng)等特點(diǎn)，因此安全性能好。
熔鹽堆系
熔鹽反應(yīng)堆（molten salt reactor,MSR）系統(tǒng)是超熱中子譜堆，燃料是鈉、鋯和氟化鈾的循環(huán)液體混合物。熔鹽燃料流過(guò)堆芯石墨通道，產(chǎn)生超熱中子譜。MSR系統(tǒng)的液體燃料不需要制造燃料元件，并允許添加钚這樣的錒系元素。錒系元素和大多數(shù)裂變產(chǎn)物在液態(tài)冷卻劑中會(huì)形成氟化物。熔融的氟鹽具有很好的傳熱特性，可降低對(duì)壓力容器和管道的壓力。參考電站的功率水平為1000兆瓦，冷卻劑出口溫度700～800℃，熱效率高。
冷堆系統(tǒng)
超高溫氣冷堆(very high temperature reactor,VHTR)系統(tǒng)是一次通過(guò)式鈾燃料循環(huán)的石墨慢化氦冷堆。該反應(yīng)堆堆芯可以是棱柱塊狀堆芯（如日本的高溫工程試驗(yàn)反應(yīng)器HTTR），也可以是球床堆芯（如中國(guó)的高溫氣冷試驗(yàn)堆HTR-10）。
VHTR（超高溫氣冷堆）系統(tǒng)提供熱量，堆芯出口溫度為1 000℃，可為石油化工或其他行業(yè)生產(chǎn)氫或工藝熱。該系統(tǒng)中也可加入發(fā)電設(shè)備，以滿足熱電聯(lián)供的需要。此外，該系統(tǒng)在采用鈾/钚燃料循環(huán)，使廢物量最小化方面具有靈活性。參考堆采用600兆瓦堆芯。
超臨界水冷堆
超臨界水冷堆（super-critical water-cooled reactor,SCWR）系統(tǒng)是高溫高壓水冷堆，在水的熱力學(xué)臨界點(diǎn)（374℃，22.1兆帕）以上運(yùn)行。超臨界水冷卻劑能使熱效率提高到輕水堆的約1.3倍。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是，冷卻劑在反應(yīng)堆中不改變狀態(tài)，直接與能量轉(zhuǎn)換設(shè)備相連接，因此可大大簡(jiǎn)化電廠配套設(shè)備。燃料為鈾氧化物。堆芯設(shè)計(jì)有兩個(gè)方案，即熱中子譜和快中子譜。參考系統(tǒng)功率為1 700兆瓦，運(yùn)行壓力是25兆帕，反應(yīng)堆出口溫度為510～550℃。
組成結(jié)構(gòu)
反應(yīng)堆的類型很多，但它主要由活性區(qū)，反射層，外壓力殼和屏蔽層組成。活性區(qū)又由核燃料，慢化劑，冷卻劑和控制棒等組成。當(dāng)前用于原子能發(fā)電站的反應(yīng)堆中，壓水堆是最具競(jìng)爭(zhēng)力的堆型（約占61%），沸水堆占一定比例（約占24%），重水堆用的較少（約占5%）。壓水堆的主要特點(diǎn)是：
1）用價(jià)格低廉、到處可以得到的普通水作慢化劑和冷卻劑，
2）為了使反應(yīng)堆內(nèi)溫度很高的冷卻水保持液態(tài)，反應(yīng)堆在高壓力（水壓約為15.5 MPa ）下運(yùn)行，所以叫壓水堆；
3）由于反應(yīng)堆內(nèi)的水處于液態(tài)，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組的蒸汽必須在反應(yīng)堆以外產(chǎn)生；這是借助于蒸汽發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的，來(lái)自反應(yīng)堆的冷卻水即一回路水流入蒸汽發(fā)生器傳熱管的一側(cè)，將熱量傳給傳熱管另一側(cè)的二回路水，使后者轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝ǘ芈氛羝麎毫?—7 MPa，蒸汽平均溫度為310℃，以大亞灣核電廠為例）；
4）由于用普通水作慢化劑和冷卻劑，熱中子吸收截面較大，因此不可能用天然鈾作核燃料，必須使用濃縮鈾（鈾-235的含量為2—4%）作核燃料。沸水堆和壓水堆同屬于輕水堆，它和壓水堆一樣，也用普通水作慢化劑和冷卻劑，不同的是在沸水堆內(nèi)產(chǎn)生蒸汽（壓力約為7 MPa），并直接進(jìn)入氣輪機(jī)發(fā)電，無(wú)需蒸汽發(fā)生器，也沒(méi)有一回路與二回路之分，系統(tǒng)特別簡(jiǎn)單，工作壓力比壓水堆低。然而，沸水堆的蒸汽帶有放射性，需采取屏蔽措施以防止放射性泄漏。重水堆是用重水作慢化劑和冷卻劑，因?yàn)槠錈嶂凶游战孛孢h(yuǎn)小于普通水的熱中子吸收截面，所以可以用天然鈾作為重水堆的核燃料。所謂熱中子，是指鈾-235原子核裂變時(shí)射出的快中子經(jīng)慢化后速度降為2200 m/s、能量約為1/40 eV的中子。熱中子引起鈾-235核裂變的可能性，比被鈾-238原子核俘獲的可能性大190倍。這樣，在以天然鈾為燃料的重水堆中，核裂變鏈鎖反應(yīng)可持續(xù)進(jìn)行下去。由于重水慢化中子不如普通水有效，因此重水堆的堆芯比輕水堆大得多，使得壓力容器制造變得困難。重水堆仍需配備蒸汽發(fā)生器，一回路的重水將熱量帶到蒸汽發(fā)生器，傳給二回路的普通水以產(chǎn)生蒸汽。重水堆的最大優(yōu)點(diǎn)是不用濃縮鈾而用天然鈾作核燃料，但是阻礙其發(fā)展的重要原因之一是重水很難得到，因?yàn)樵谔烊凰兄厮徽?/6500。
慢化劑
核燃料裂變反應(yīng)釋放的中子為快中子，而在熱中子或中能中子反應(yīng)堆中要應(yīng)用慢化中子維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，
慢化劑就是用來(lái)將快中子能量減少，使之慢化成為中子或中能中子的物質(zhì)。選擇慢化劑要考慮許多不同的要求。首先是核特性：即良好的慢化性能和盡可能低的中子吸收截面；其次是價(jià)格、機(jī)械特性和輻照敏感性。有時(shí)慢化劑兼作冷卻劑，即使不是，在設(shè)計(jì)中兩者也是緊密相關(guān)的。應(yīng)用最多的固體慢化劑是石墨，其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的慢化性能和機(jī)械加工性能，小的中子俘獲截面和價(jià)廉。石墨是迄今發(fā)現(xiàn)的可以采用天然鈾為燃料的兩種慢化劑之一；另一種是重水。其他種類慢化劑則必須使用濃縮的核燃料。從核特性看，重水是更好的慢化劑，并且因其是液體，可兼做冷卻劑，主要缺點(diǎn)是價(jià)格較貴，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需有嚴(yán)格的密封要求。輕水是應(yīng)用最廣泛的慢化劑，雖然它的慢化性能不如重水，但價(jià)格便宜。重水和輕水有共同的缺點(diǎn)，即產(chǎn)生輻照分解，出現(xiàn)氫、氧的積累和復(fù)合。
核反應(yīng)堆
控制棒
在反應(yīng)堆中起補(bǔ)償和調(diào)節(jié)中子反應(yīng)性以及緊急停堆的作用。制作控制棒的材料其熱中子吸收截面大，而散射截面小。好的控制棒材料（如鎘、銀、銦等）在吸收中子后產(chǎn)生的新同位素仍具有大的熱中子吸收截面，因而使用壽命很長(zhǎng)。核電站常用的控制棒材料有硼鋼、銀-銦-鎘合金等。其中含硼材料因資源豐富、價(jià)格低，應(yīng)用較廣，但它容易產(chǎn)生輻照脆化和尺寸變化（腫脹）。銀-銦-鎘合金熱中子吸收截面大，是輕水堆的主要控制材料。壓水堆中采用棒束控制，控制材料制成棒狀，每個(gè)棒束由24根控制棒組成，均勻分布在17×17的燃料組件間。核電站通過(guò)專門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)控制棒插入燃料組件的深度，以控制反應(yīng)堆的反應(yīng)性，緊急情況下則利用控制棒停堆（這時(shí)，控制棒材料大量吸收熱中子，使自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無(wú)法維持而中止）。
核反應(yīng)堆控制棒
冷卻劑
由主循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)，在一回路中循環(huán)，從堆芯帶走熱量并傳給二回路中的工質(zhì)，使蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，以驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。冷卻劑是唯一既在堆芯中工作又在堆外工作的一種反應(yīng)堆成分，這就要求冷卻劑必需在高溫和高中子通量場(chǎng)中工作是穩(wěn)定的。此外，大多數(shù)適合的流體以及它們含有的雜質(zhì)在中子輻照下將具有放射性，因此冷卻劑要用耐輻照的材料包容起來(lái)，用具有良好射線阻擋能力的材料進(jìn)行屏蔽。理想的冷卻劑應(yīng)具有優(yōu)良的慢化劑核特性，有較大的傳熱系數(shù)和熱容量、抗氧化以及不會(huì)產(chǎn)生很高的放射性。液態(tài)鈉(主要用于快中子堆)和鈉鉀合金（主要用于空間動(dòng)力堆）具有大的熱容量和良好的傳熱性能清水水在價(jià)格、處理、抗氧化和活化方面都有優(yōu)點(diǎn)，但是它的熱特性不好。重水最好最好的冷卻劑和慢化劑，但價(jià)格昂貴。氣體冷卻劑（如二氧化碳、氦）具有許多優(yōu)點(diǎn)，但要求比液體冷卻劑更高的循環(huán)泵功率，系統(tǒng)密封性要求也較高。有機(jī)冷卻劑較突出的優(yōu)點(diǎn)是在堆內(nèi)的激活活性較低，這是因?yàn)槿坑袡C(jī)冷卻劑的中子俘獲截面較低，主要缺點(diǎn)是輻照分解率較大。應(yīng)用最普遍的壓水堆核電站用輕水作冷卻劑兼慢化劑。
核反應(yīng)堆冷卻劑
屏蔽層
為防護(hù)中子、γ射線和熱輻射，必須在反應(yīng)堆和大多數(shù)輔助設(shè)備周圍設(shè)置屏蔽層。其設(shè)計(jì)要力求造價(jià)便宜并節(jié)省空間。對(duì)γ射線屏蔽，通常選擇鋼、鉛、普通混凝土和重混凝土。鋼的強(qiáng)度最好，但價(jià)格較高；鉛的優(yōu)點(diǎn)是密度高，因此鉛屏蔽厚度較??；混凝土比金屬便宜，但密度較小，因而屏蔽層厚度比其他的都大。
行波堆
核電行波堆的名字借用了無(wú)線電技術(shù)的行波管，但是物理本質(zhì)截然不同。行波管是利用電子槍發(fā)射的電子注在聚焦系統(tǒng)中給同向傳輸?shù)奈⒉▊鬟f能量，從而放大微波信號(hào)。而核電行波堆則是利用起始端少量高濃度鈾235裂變產(chǎn)生的快中子轟擊貧鈾（幾乎完全是鈾238）生成钚239。钚239俘獲中子后裂變生成多達(dá)300種的各種中等質(zhì)量原子，并平均產(chǎn)生2.5個(gè)中子和2億電子伏的能量。裂變能被液態(tài)金屬鈉或其他載熱介質(zhì)吸收用來(lái)發(fā)電，新產(chǎn)生的中子則維持堆芯里的核反應(yīng)不斷向前行進(jìn)，直到將整個(gè)堆芯“燒”盡為止。行波堆因此得名。
主要特點(diǎn)
核能發(fā)電有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)——非常清潔。與火電站相比，核電站從環(huán)保角度來(lái)講簡(jiǎn)直就是做到了極致。火電站向大氣中釋放的放射性物質(zhì)比核電站還多，同時(shí)它還向大氣中釋放大量的碳、硫和其他元素。
非常不幸的是，核電站的運(yùn)行也存在一些嚴(yán)重的問(wèn)題：
鈾的開(kāi)采和提純并不是非常清潔的過(guò)程。
非正常運(yùn)行的核電站能夠帶來(lái)大問(wèn)題。切爾諾貝利災(zāi)難是最近的一個(gè)例子；2011年3月12日，地震導(dǎo)致日本福島縣第一和第二核電站發(fā)生核泄漏。
核電站的乏燃料在幾百年內(nèi)都是有毒的，并且到目前為止，世界上沒(méi)有能安全、永久地存儲(chǔ)它們的設(shè)施。
運(yùn)輸核燃料往返于核電站帶來(lái)了一些風(fēng)險(xiǎn)，不過(guò)迄今為止，美國(guó)并沒(méi)有發(fā)生過(guò)這種事故。
很大程度上，以上這些問(wèn)題使得在美國(guó)建設(shè)新核電站的嘗試偏離了正常軌道。因?yàn)樯鐣?huì)似乎普遍認(rèn)為建設(shè)核電站風(fēng)險(xiǎn)超過(guò)了回報(bào)。
優(yōu)點(diǎn)
1）能量高度集中，燃料費(fèi)用低廉，綜合經(jīng)濟(jì)效益好。1公斤鈾-235或钚-239提供的能量在理論上相當(dāng)于2300噸無(wú)煙煤。在現(xiàn)階段的實(shí)際應(yīng)用中，1公斤天然鈾可代替20—30噸煤。雖然原子能發(fā)電一次性基建投資較大，可是核燃料費(fèi)用比煤和石油的費(fèi)用便宜得多。所以，原子能發(fā)電的總成本已低于常規(guī)發(fā)電的總成本。
2）因所需燃料數(shù)量少而不受運(yùn)輸和儲(chǔ)存的限制。例如，一座100萬(wàn)千瓦的常規(guī)發(fā)電廠，一年需要燒掉300萬(wàn)噸煤，平均每天需要一艘萬(wàn)噸輪來(lái)運(yùn)煤。而使用原子能發(fā)電，一年只需要30噸核燃料。
3）污染環(huán)境較輕。原子能發(fā)電不向外排放CO、SO2、NOX等有害氣體和固體微粒，也不排放產(chǎn)生溫室效應(yīng)的二氧化碳。原子能發(fā)電站日常放射性廢氣和廢液的排放量很小，周圍居民由此受到的輻射劑量小于來(lái)自天然本底的1%。大量釋放放射性物質(zhì)的嚴(yán)重事故，則發(fā)生的概率極低，全世界10000堆年的運(yùn)行歷史中只發(fā)生過(guò)一次波及廠外的切爾諾貝利事故，它是運(yùn)行人員違章操作和反應(yīng)堆本身設(shè)計(jì)缺陷（缺乏必要的安全屏障）所造成的。大家可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)美國(guó)三里島原子能發(fā)電站的事故，這次事故是由于人為失職和設(shè)備故障造成。由于反應(yīng)堆有幾道安全屏障，該事故中無(wú)一人死亡，80公里以內(nèi)的200萬(wàn)人口中平均受到的輻射劑量還不及佩帶一年夜光表受到的劑量。
安全性
反應(yīng)堆不會(huì)爆炸，其原因至少有三條：
1）原子彈使用的核燃料中90%以上是易裂變的鈾-235，而發(fā)電用反應(yīng)堆使用的核燃料中只有2—4%是易裂變的鈾-235。
2）反應(yīng)堆內(nèi)裝有由易吸收中子的材料制成的控制棒，通過(guò)調(diào)節(jié)控制棒的位置來(lái)控制核裂變反應(yīng)的速度。
3）冷卻劑不斷地把反應(yīng)堆內(nèi)核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的巨大熱量帶出，使反應(yīng)堆內(nèi)的溫度控制在所需范圍內(nèi)。
可能有人也要問(wèn)，為什么一些國(guó)家不輕易轉(zhuǎn)讓原子能發(fā)電技術(shù)呢？這是因?yàn)榉磻?yīng)堆用于發(fā)電的同時(shí)，在反應(yīng)堆內(nèi)還產(chǎn)生一定量的钚-239（除大部分中子轟擊鈾-235原子核使其發(fā)生裂變外，仍有一部分中子被鈾-238原子核俘獲使后者變成钚-239。在反應(yīng)堆內(nèi)生成的钚-239中，約有50%以上再被中子轟擊發(fā)生裂變，釋放出能量，使核燃料增殖；其余不到50%的钚-239留在反應(yīng)堆內(nèi)。），經(jīng)后處理可將钚-239提取出來(lái)，用于制造原子彈。重水堆產(chǎn)生的钚-239約為壓水堆的兩倍。
應(yīng)用領(lǐng)域
核裂變時(shí)既釋放出大量能量、又釋放出大量中子。核反應(yīng)堆有許多用途，但歸結(jié)起來(lái)，一是利用裂變核能，二是利用裂變中子。核能主要用于發(fā)電，但它在其它方面也有廣泛的應(yīng)用。例如核能供熱、核動(dòng)力等。
核能供熱是廿世紀(jì)八十年代才發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，這是一種經(jīng)濟(jì)、安全、清潔的熱源，因而在世界上受到廣泛重視。在能源結(jié)構(gòu)上，用于低溫(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(huán)境造成嚴(yán)重污染。在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)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?zé)崮?/a>，所以發(fā)展核反應(yīng)堆低溫供熱，對(duì)緩解供應(yīng)和運(yùn)輸緊張、凈化環(huán)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(yuǎn)大的核能利用方式。核供熱不僅可用于居民冬季采暖，也可用于工業(yè)供熱。特別是高溫氣冷堆可以提供高溫?zé)嵩?，能用于煤的氣化、煉鐵等耗熱巨大的行業(yè)。核能既然可以用來(lái)供熱、也一定可以用來(lái)制冷。清華大學(xué)在五兆瓦的低溫供熱堆上已經(jīng)進(jìn)行過(guò)成功的試驗(yàn)。核供熱的另一個(gè)潛在的大用途是海水淡化。在各種海水淡化方案中，采用核供熱是經(jīng)濟(jì)性最好的一種。在中東、北非地區(qū)，由于缺乏淡水，海水淡化的需求是很大的。
核能又是一種具有獨(dú)特優(yōu)越性的動(dòng)力。因?yàn)樗恍枰諝庵迹勺鳛榈叵?、水中和太空缺乏空氣環(huán)境下的特殊動(dòng)力；又由于它少耗料、高能量，是一種一次裝料后可以長(zhǎng)時(shí)間供能的特殊動(dòng)力。例如，它可作為火箭、宇宙飛船、人造衛(wèi)星、潛艇、航空母艦等的特殊動(dòng)力。將來(lái)核動(dòng)力可能會(huì)用于星際航行。當(dāng)前人類進(jìn)行的太空探索，還局限于太陽(yáng)系，故飛行器所需能量不大，用太陽(yáng)能電池就可以了。如要到太陽(yáng)系外其他星系探索，核動(dòng)力恐怕是唯一的選擇。美、俄等國(guó)-直在從事核動(dòng)力衛(wèi)星的研究開(kāi)發(fā)，旨在把發(fā)電能力達(dá)上百千瓦的發(fā)電設(shè)備裝在衛(wèi)星上。由于有了大功率電源，衛(wèi)星在通訊、軍事等方面的威力將大大增強(qiáng)。1997年10月15日美國(guó)宇航局發(fā)射的“卡西尼”號(hào)核動(dòng)力空間探測(cè)飛船，它要飛往土星，歷時(shí)7年，行程長(zhǎng)達(dá)35億公里漫長(zhǎng)的旅途。
核動(dòng)力推進(jìn)，主要用于核潛艇、核航空母艦和核破冰船。由于核能的能量密度大、只需要少量核燃料就能運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，這在軍事上有很大優(yōu)越性。尤其是核裂變能的產(chǎn)生不需要氧氣，故核潛艇可在水下長(zhǎng)時(shí)間航行。正因?yàn)楹藙?dòng)力推進(jìn)有如此大的優(yōu)越性，故幾十年來(lái)全世界已制造的用于艦船推進(jìn)的核反應(yīng)堆數(shù)目已達(dá)數(shù)百座、超過(guò)了核電站中的反應(yīng)堆數(shù)目(當(dāng)然其功率遠(yuǎn)小于核電站反應(yīng)堆)。當(dāng)前核航空母艦、核驅(qū)逐艦、核巡洋艦與核潛艇一起，已形成了一支強(qiáng)大的海上核力量。
核航空母艦
核反應(yīng)堆的第二大用途就是利用鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)中放出的大量中子。這方面的用途是非常多的，我們這里僅舉幾個(gè)例子。我們知道，許多穩(wěn)定的元素的原子核如果再吸收一個(gè)中子就會(huì)變成一種放射性同位素。因此反應(yīng)堆可用來(lái)大量生產(chǎn)各種放射性同位素。放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)上的廣泛用途當(dāng)前幾乎是盡人皆知的了。還有，當(dāng)前工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科研中經(jīng)常需用一種帶有極微小孔洞的薄膜，用來(lái)過(guò)濾、去除溶液中的極細(xì)小的雜質(zhì)或細(xì)菌之類。在反應(yīng)堆中用中子轟擊薄膜材料可以生成極微小的孔洞，達(dá)到上述技術(shù)要求。利用反應(yīng)堆中的中子還可以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)半導(dǎo)體材料。我們知道在單晶硅中必須摻入少量其他材料，才能變成半導(dǎo)體，例如摻入磷元素。一般是采用擴(kuò)散方法，在爐子里讓磷蒸汽通過(guò)硅片表面滲進(jìn)去。但這樣做效果不是太理想，硅中磷的濃度不均勻，表面濃度濃度變高濃度變低。當(dāng)前可采用中子摻雜技術(shù)。把單晶硅放在反應(yīng)堆里受中子輻照，硅俘獲一個(gè)中子后，經(jīng)衰變后就變成了磷。由于中子不帶電、很容易進(jìn)入硅片的內(nèi)部，故這種辦法生產(chǎn)的硅半導(dǎo)體性質(zhì)優(yōu)良。利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子可以治療癌癥。因?yàn)樵S多癌組織對(duì)于硼元素有較多的吸收，而且硼又有很強(qiáng)的吸收中子能力。硼被癌組織吸收后，經(jīng)中子照射，硼會(huì)變成鋰并放出α射線。α射線可以有效殺死癌細(xì)胞，治療效果要比從外部用γ射線照射好得多。反應(yīng)堆里的中子還可用于中子照相或者說(shuō)中子成像。中子易于被輕物質(zhì)散射，故中子照相用于檢查輕物質(zhì)(例如炸藥、毒品等)特別有效，如果用x光或超聲成像則檢查不出來(lái)。
注意事項(xiàng)
臨界狀態(tài)
鈾-235原子分裂時(shí)會(huì)（根據(jù)分裂方式的不同）釋放出兩個(gè)或三個(gè)中子。如果附近沒(méi)有鈾-235原子，那么這些中子將會(huì)以中子射線的方式飛走。如果鈾-235原子是一塊鈾的一部分——那么附近就有其他鈾原子——于是將會(huì)發(fā)生下面三種情況：
·如果，平均起來(lái)，每次裂變正好有一個(gè)自由中子擊中另一個(gè)鈾-235原子核并使它發(fā)生裂變，那么這塊鈾的質(zhì)量就被認(rèn)為是臨界的。其質(zhì)量將維持一個(gè)穩(wěn)定的溫度。核反應(yīng)堆必須被維持在臨界狀態(tài)。
·如果，平均起來(lái)，擊中另一個(gè)鈾-235原子的自由中子少于一個(gè)，那么這塊質(zhì)量就是亞臨界的。最終，物質(zhì)的誘發(fā)裂變會(huì)終止。
·如果，平均起來(lái)，有超過(guò)一個(gè)自由中子擊中了另一個(gè)鈾-235原子，那么這塊鈾的質(zhì)量就是超臨界的。鈾會(huì)熱起來(lái)。
對(duì)于核彈，其設(shè)計(jì)者要求鈾的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)超臨界質(zhì)量，這樣燃料塊中的所有鈾-235能夠在極短的時(shí)間內(nèi)全部發(fā)生裂變。在核反應(yīng)堆中，反應(yīng)堆堆芯需要稍微超臨界，這樣工作人員就能控制反應(yīng)堆的溫度。工作人員通過(guò)操作控制棒來(lái)吸收自由中子，以使反應(yīng)堆維持在臨界水平。
燃料中鈾-235的含量（濃縮水平）和燃料塊的形狀決定了鈾的臨界狀況?？梢韵胂?，如果燃料是細(xì)薄的片狀，那么多數(shù)自由中子將會(huì)飛出去而不是撞擊其他的鈾-235原子。球形是最佳的形狀。以球形聚集在一起以實(shí)現(xiàn)臨界反應(yīng)的鈾-235的量大約為0.9公斤。這個(gè)量因此被稱為臨界質(zhì)量。钚-239的臨界質(zhì)量大約是283 克。
發(fā)展前景
可持續(xù)發(fā)展
通過(guò)對(duì)核燃料的有效利用，實(shí)現(xiàn)提供持續(xù)生產(chǎn)能源的手段；實(shí)現(xiàn)核廢物量的最少化，加強(qiáng)管理，減輕長(zhǎng)期管理事務(wù)，保證公眾健康，保護(hù)環(huán)境。
提高安全性
確保更高的安全性及可靠性；大幅度降低堆芯損傷的概率及程度，并具有快速恢復(fù)反應(yīng)堆運(yùn)行的能力；取消在廠址外采取應(yīng)急措施的必要性。
提高經(jīng)濟(jì)性
發(fā)電成本優(yōu)于其他能源；資金的風(fēng)險(xiǎn)水平能與其他能源相比。
防止核擴(kuò)散
利用反應(yīng)堆系統(tǒng)本身的特性，在商用核燃料循環(huán)中通過(guò)處理的材料，對(duì)于核擴(kuò)散具有更高的防止性，保證難以用于核武器或被盜竊；為了評(píng)價(jià)核能的核不擴(kuò)散性，DOE針對(duì)第四代核電站正在開(kāi)發(fā)定量評(píng)價(jià)防止核擴(kuò)散的方法。
華能山東石島灣核電廠高溫氣冷堆核電站示范工程已于2008年開(kāi)始建設(shè)，工程將于2013年11月投產(chǎn)發(fā)電。這是中國(guó)第一座采用第四代核反應(yīng)堆的核電站，使用的是第四代高溫氣冷石墨球床反應(yīng)堆，簡(jiǎn)稱球床堆。
第四代反應(yīng)堆的六個(gè)構(gòu)型中，高溫氣冷堆是一個(gè)很有前途的方案，現(xiàn)行的高溫氣冷堆有兩個(gè)流派：石墨球床和柱狀燃料的，前者的使用者是中國(guó)和南非，后者是美、俄和日本。
石墨球床堆也叫卵石堆，最早是德國(guó)在本世紀(jì)60年代建成了原理堆，由于技術(shù)和需求的限制，30年沒(méi)有大的發(fā)展，直到上個(gè)世紀(jì)90年代，國(guó)際能源危機(jī)的壓力日趨嚴(yán)重，南非和中國(guó)先后開(kāi)始了對(duì)這一技術(shù)的現(xiàn)代化研究和實(shí)用化探索，分別是南非國(guó)營(yíng)電力設(shè)計(jì)的PBMR(400MW熱功率)和中國(guó)原子能技術(shù)研究院設(shè)計(jì)的HTR-PM(460MW)。兩者的設(shè)計(jì)都已經(jīng)基本完成，其間中國(guó)完成了清華大學(xué)10Mw原理堆(HTR-10)的建造和運(yùn)行工作，HTR-10已經(jīng)并網(wǎng)多時(shí)了。
運(yùn)營(yíng)中
遼寧：紅沿河核電站一期1號(hào)機(jī)組
建設(shè)中
福建：寧德核電站一期，福清核電站
浙江：秦山核電站擴(kuò)建— 方家山核電，三門(mén)核電站
山東：山東海陽(yáng)核電站，石島灣核電站
遼寧：紅沿河核電站一期
籌建中
廣西：紅沙核電站
湖南：小墨山核電站，桃花江核電站
江西：煙家山核電站，彭澤核電站
重慶：涪陵核電站
四川：三壩核電站
河南：南陽(yáng)核電站
吉林：靖宇核電站
黑龍江：佳木斯核電站
各國(guó)情況
沙特阿拉伯
2018年11月5日，沙特阿拉伯首座用于科學(xué)研究的核反應(yīng)堆項(xiàng)目動(dòng)工開(kāi)建。
法國(guó)
2018年11月27日，法國(guó)總統(tǒng)馬克龍表示，到2035年，法國(guó)運(yùn)行的58座核反應(yīng)堆中將有14座被關(guān)閉，其中4到6座將在2030年前關(guān)閉。
參考資料
[1]
探秘中國(guó)核電技術(shù)之源2020-10-16T06:39:06+08:00[引用日期2022-06-17 17:47:36]
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