水是否可以做核燃料？

【專家解說】：根據上述要求，一個核反應堆一般由以下幾個部分組成：活性區(qū)，這是進行鏈式反應的地方；冷卻系統，這是用來保證活性區(qū)不被燒壞，使熱量能取出來加以利用的系統；控制系統，這是用來監(jiān)察和控制鏈式反應進行的系統；防護系統，這是用于保護工作人員不受核輻射和放射性物質危害，并保證放射性物質不致污染環(huán)境的系統。 活性區(qū)是反應堆的心臟，主要由核燃料、饅化劑和控制棒組成，冷卻劑也從這里通過。核燃料中含有裂變物質(如鈾235)，是用來進行鏈式反應的材料，它是反應堆核心的核心。 在反應堆中，通常有足夠多的核燃料，使鏈式反應不但能進行，而且能夠擴大規(guī)模，這樣才能維持高功率運行。但是當鏈式反應發(fā)展到一定規(guī)模、反應堆具有足夠高的功率時，要控制鏈式反應的發(fā)展，使反應堆的功率維持在一定水平上，就要去掉反應堆內的部分中子，不讓它們參加鏈式反應，使中子增殖系數k等于1。 為了做到這一點，通常需采用能夠強烈吸收中子的物質，如硼、鎘等制成的所謂控制棒，來對反應堆的運行加以控制?？刂瓢舴湃攵褍葧r，由于它們吸收了大量的中子，使鏈式反應的規(guī)模減小，反應堆的功率就下降，甚至停止運行；若把它們取出堆外，由于它們不再吸收中子，鏈式反應的規(guī)模就擴大，反應堆的功率也就上升；若把他們調整到適當的位置，就可以使反應堆在一定的功率下穩(wěn)定運行。 反應堆就是這樣通過控制棒來進行控制的。根據需要，可以隨意地使反應堆啟動、穩(wěn)定運行或者停止下來。因此，反應堆內的鏈式反應是一種可控的自持鏈式反應。 費米等建造的世界上第一座反應堆采用天然鈾作核燃料，石墨作慢化劑。這座反應堆是用大小約10×10×15立方厘米的石墨塊“堆”成的，在一部分石墨塊上鉆有直徑約為5厘米的圓孔，在圓孔內放置重約2千克的金屬鈾棒或氧化鈾棒。 石墨塊一層層地堆起來，沒有鈾棒的石墨塊和帶有鈾棒的石墨塊交替放置，一共50層。在第50層以上，再放四層用來反射中子的石墨。最上面是15厘米厚的鉛板和1.5米厚的木材構成的防護層。側面的防護層由30厘米厚石墨和1.5米厚混凝土做成。這座反應堆的總體積約為10×10×7立方米，總重量約為1400噸，內中裝鈾約52噸。 這座反應堆的運行是通過五根鍍有鎘的青銅棒進行控制的。其中一根穿過堆體；另一根可以插入堆內任何深度，用于調整反應堆的功率；其余三根是“安全棒”，平時放在堆外，必要時可迅速插入堆內，使鏈式反應立即停止。這座反應堆沒有冷卻設備，因此它的功率很小，總共只有幾百瓦。 下面一段是費米對第一座反應堆首次啟動情況的描述：“我們日夜期待的日子終于來到了。那一天，我們聚集在離地面約十英尺的平臺上。面對著我們的就是大廳里的那堆‘建筑’。 “一位名叫韋爾的青年科學家站在我們下面，他的職責是操縱最后一根控制棒，以便校正反應。 “為了防止發(fā)生意外，我們采取了幾道預防措施。反應堆里放有三組控制棒，一組是自動的；另一組是用繩索系定的安全棒，津恩掌握著繩索，一有出問題的跡象他就松開繩索，棒便會立刻插回堆里；最后一根控制棒仍插在堆里，它有啟動、加速和停止反應的功能。這就是韋爾所操縱的那一根。 “因為以前從來沒有人做過這種實驗，為了安全起見，我們有一個‘控制液小組’，準備在控制棒萬一失靈時，把鎘鹽溶液灌進堆里去。在實驗開始前，我們還仔細地預演了各種安全預防措施。 “抽控制棒的時刻終于來到了。韋爾開始慢慢地抽出那根最重要的控制棒。那時，我們站在平臺上，注視著各種指示儀表——它們能顯示中子計數，并能告訴我們鈾原子受到中子打擊的速率到底有多快。 “上午十一點三十五分，正當計數器嗒嗒地響得正快的時候，突然轟隆一聲巨響，自動安全棒已經插回反應堆里了——這是因為控制棒的安全指標定得太低了一點。 “也正好是該吃午飯的時候了。午餐時，每人心里都在想著這次實驗，可是沒有一個人過多地談論它。 “下午二點半，韋爾又一英寸一英寸地把控制棒抽出、核對，再抽出、再核對……。 “不久，指示儀表上顯示出中子強度開始以一種緩慢的、但是不斷增長的速率在上升。這時，我們知道反應堆已經到達自持狀態(tài)了。 “沒有一根保險絲被燒斷，也沒有發(fā)出任何火焰閃光，它完全不象是一件奇跡的出現。但是對我們來說，這意味著，大規(guī)模釋放核能只是時間的遲早而已?！? 自從第一座反應堆成功地運行以后，各種各樣的反應堆猶如雨后春筍，競相問世。到目前為止，世界各國已建立了七百多座反應堆。反應堆大小不一，類型繁多。例如，按核燃料的種類分，可分成天然鈾堆、加濃鈾堆、钚堆；按慢化劑的種類分，可分成石墨堆、重水堆、輕水(即普通水)堆、氣冷堆、熔鹽堆等；按使用的中子能量又可分為熱中子堆、中能中子堆和快中子堆；按用途分，則可分為動力堆、生產堆和研究試驗堆等等。 鈾作為一種新能源，是通過反應堆來實現的。用反應堆來發(fā)電，是反應堆的一個主要用途。利用原子能來發(fā)電，具有很大的優(yōu)越性。首先，核電站所消耗的燃料量要比火電站少得多。例如一座電功率為一百萬千瓦的火電站，一年要燒三百萬噸煤，而同樣功率的核電站，只要二、三十噸核燃料就夠了，而且一次裝料可以用上一年、兩年，甚至更長的時間。 核燃料資源比化學燃料資源可提供大得多的能量，因此從長遠觀點來看，它更能滿足生產發(fā)展的需要。對于缺煤少油的國家和邊遠地區(qū)，原子能發(fā)電更顯示出特殊的優(yōu)越性。 用原子能發(fā)電，還可以把化學燃料節(jié)省下來，使它們利用得更合理。因為煤和石油是制造合成纖維、塑料、醫(yī)藥、染料和人造橡膠等重要工業(yè)產品的優(yōu)良原料，從發(fā)展的觀點來看，單單為了獲得能量而把它們燒掉是很可惜的。 發(fā)電用的反應堆主要有氣冷堆、重水堆、輕水堆、快中子增殖堆幾種類型。 氣冷堆是用天然鈾作燃料，石墨作慢化劑，氦氣或二氧化碳氣體作冷卻劑(或稱載熱劑)。 重水堆是是用天然鈾作燃料，但用重水作慢化劑，用重水或普通水作冷卻劑。 輕水堆又分為壓水堆和沸水堆。這類反應堆用普通水作為慢化劑和冷卻劑。雖然普通水具有良好的中子慢化性能和導熱性質，但由于它吸收中子的能力很強，所以這類反應堆必須采用低加濃鈾作燃料。在目前運行的核電站中，輕水堆所占的比例最大。 快中子增殖堆簡稱快堆，沒有慢化劑，直接利用快中子進行鏈式反應。快堆有一個非常突出的優(yōu)點，就是在這種反應堆內，每消耗掉一個裂變物質的原子核，還同時能生成一個以上新裂變物質的原子核，因此當這種過程繼續(xù)下去時，一方面釋放出大量的能量，以供發(fā)電之用，另一方面反應堆內的核燃料也越積越多。這種反應堆能更有效地利用鈾資源，并且還可以利用儲量比鈾還豐富的釷資源，因此被認為是一種最有發(fā)展前途的反應堆。目前許多國家都在對這種反應堆進行積極研究，有些國家已建成了原型快堆。