怎樣制造核反應(yīng)堆

【專家解說(shuō)】：1. 核反應(yīng)堆及其組成 核反應(yīng)堆是一個(gè)能維持和控制核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而實(shí)現(xiàn)核能—熱能轉(zhuǎn)換的裝置。核反應(yīng)堆是核電廠的心臟，核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在其中進(jìn)行。 1942年美國(guó)芝加哥大學(xué)建成了世界上第一座自持的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置，從此開(kāi)辟了核能利用的新紀(jì)元。 反應(yīng)堆由堆芯、冷卻系統(tǒng)、慢化系統(tǒng)、反射層、控制與保護(hù)系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。 堆芯中的燃料：反應(yīng)堆的燃料，不是煤、石油，而是可裂變材料。自然界天然存在的易于裂變的材料只有Ｕ-235，它在天然鈾中的含量?jī)H有0.711％，另外兩種同位素Ｕ-238和Ｕ-234各占99.238％和0.0058％，后兩種均不易裂變。 另外，還有兩種利用反應(yīng)堆或加速器生產(chǎn)出來(lái)的裂變材料Ｕ-233和Pu-239。 用這些裂變材料制成金屬、金屬合金、氧化物、碳化物等形式作為反應(yīng)堆的燃料。 燃料包殼：為了防止裂變產(chǎn)物逸出，一般燃料都需用包殼包起來(lái)，包殼材料有鋁、鋯合金和不銹鋼等。 控制與保護(hù)系統(tǒng)中的控制棒和安全棒：為了控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速率在一個(gè)預(yù)定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，稱之為控制棒和安全棒?？刂瓢粲脕?lái)補(bǔ)償燃料消耗和調(diào)節(jié)反應(yīng)速率；安全棒用來(lái)快速停止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。吸收體材料一般是硼、碳化硼、鎘、銀銦鎘等。 冷卻系統(tǒng)中的冷卻劑：為了將裂變的熱導(dǎo)出來(lái)，反應(yīng)堆必須有冷卻劑，常用的冷卻劑有輕水、重水、氦和液態(tài)金屬鈉等。 慢化系統(tǒng)中的慢化劑：由于慢速中子更易引起鈾-235裂變，而中子裂變出來(lái)則是快速中子，所以有些反應(yīng)堆中要放入能使中子速度減慢的材料，就叫慢化劑，一般慢化劑有水、重水、石墨等。 反射層：反射層設(shè)在活性區(qū)四周，它可以是重水、輕水、鈹、石墨或其它材料。它能把活性區(qū)內(nèi)逃出的中子反射回去，減少中子的泄漏量。 屏蔽系統(tǒng)：反應(yīng)堆周圍設(shè)屏蔽層，減弱中子及γ劑量。 輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：該系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)并及早發(fā)現(xiàn)放射性泄漏情況。 　　2. 反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)形式和分類 反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)形式是千姿百態(tài)的，它根據(jù)燃料形式、冷卻劑種類、中子能量分布形式、特殊的設(shè)計(jì)需要等因素可建造成各類型結(jié)構(gòu)形式的反應(yīng)堆。 目前世界上有大小反應(yīng)堆上千座，其分類也是多種多樣。按能普分有由熱能中子和快速中子引起裂變的熱堆和快堆；按冷卻劑分有輕水堆，即普通水堆（又分為壓水堆和沸水堆）、重水堆、氣冷堆和鈉冷堆。按用途分有：（1）研究試驗(yàn)堆：是用來(lái)研究中子特性，利用中子對(duì)物理學(xué)、生物學(xué)、輻照防護(hù)學(xué)以及材料學(xué)等方面進(jìn)行研究；（2）生產(chǎn)堆，主要是生產(chǎn)新的易裂變的材料鈾-233、钚-239；（3）動(dòng)力堆，利用核裂變所產(chǎn)生的熱能廣泛用于艦船的推進(jìn)動(dòng)力和核能發(fā)電。反應(yīng)堆分類情況見(jiàn)下表。 　　3. 研究實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆 是指用作實(shí)驗(yàn)研究工具的反應(yīng)堆，它不包括為研究發(fā)展特定堆型而建造的、本身就是研究對(duì)象的反應(yīng)堆，如原型堆，零功率堆，各種模式堆等。研究實(shí)驗(yàn)堆的實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域很廣泛，包括堆物理，堆工程、生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)等，同時(shí)，還可生產(chǎn)各種放射性同位素和培訓(xùn)反應(yīng)堆科學(xué)技術(shù)人員。研究實(shí)驗(yàn)堆種類很多，例如：游泳池式研究實(shí)驗(yàn)堆：在這種堆中水既作為慢化劑、反射層和冷卻劑，又起主要屏蔽作用。因水池常做成游泳池狀的長(zhǎng)圓形而得其名。 罐式研究實(shí)驗(yàn)堆：由于較高的工作溫度和較大的冷卻劑流量只有在加壓系統(tǒng)中才能實(shí)現(xiàn)，因此，必須采取加壓罐式結(jié)構(gòu)。 重水研究實(shí)驗(yàn)堆：重水的中子吸收截面小，允許采用天然鈾燃料，它的特點(diǎn)是臨界質(zhì)量較大，中子通量密度較低。如果要減小臨界質(zhì)量和獲得高中子通量密度，就用濃縮鈾來(lái)代替天然鈾。 此外，還有固體慢化劑研究實(shí)驗(yàn)堆、均勻型研究實(shí)驗(yàn)堆、快中子實(shí)驗(yàn)堆等。 　　4. 生產(chǎn)堆 主要用于生產(chǎn)易裂變材料或其他材料，或用來(lái)進(jìn)行工業(yè)規(guī)模輻照。生產(chǎn)堆包括產(chǎn)钚堆，產(chǎn)氚堆和產(chǎn)钚產(chǎn)氚兩用堆、同位素生產(chǎn)堆及大規(guī)模輻照堆，如果不是特別指明，通常所說(shuō)的生產(chǎn)堆是指產(chǎn)钚堆。 該堆結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)堆中的燃料元件既是燃料又是生產(chǎn)钚-239的原料。中子來(lái)源于用天然鈾制作的元件中的Ｕ-235。Ｕ-235裂變中子產(chǎn)額為2—3個(gè)。除維持裂變反應(yīng)所需的中子外，余下的中子被Ｕ-238吸收，即可轉(zhuǎn)換成Pu-239，平均燒掉一個(gè)Ｕ-235原子可獲得0.8個(gè)钚原子。也可以用生產(chǎn)堆生產(chǎn)熱核燃料氚。用重水型生產(chǎn)堆生產(chǎn)氚要比用石墨生產(chǎn)堆產(chǎn)氚高7倍。 　　5. 動(dòng)力反應(yīng)堆 世界上動(dòng)力反應(yīng)堆可分為潛艇動(dòng)力堆和商用發(fā)電反應(yīng)堆。核潛艇通常用壓水堆做為其動(dòng)力裝置。商用規(guī)模的核電站用的反應(yīng)堆主要有壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨氣冷堆和快堆等。