FHSST 物理/原子核/核反應堆

核反應堆

自從發現放射性以來，人們就已知重核在自發衰變過程中會釋放能量。然而，這種過程相當緩慢，人類無法對其進行影響（加速或減速），因此無法有效地用於大規模的能量生產。儘管如此，它非常適合為那些必須在偏遠地區長時間自主工作且不需要太多能量的裝置供電。為此，來自自發衰變的熱量可以在放射性同位素熱電發生器中轉換為電能。這些發生器已被用於為太空探測器和一些由俄羅斯工程師建造的燈塔供電。使用核能的更有效方法是基於另一種型別的核衰變，接下來將介紹。

鏈式反應

開啟核能時代的那項發現是在 1939 年由德國物理學家奧托·哈恩、莉澤·邁特納、弗裡茨·斯特拉斯曼和奧托·弗裡施做出的。他們發現，鈾原子核在吸收一箇中子後，會分裂成兩個碎片。這不是自發裂變，而是誘導裂變

${\begin{matrix}n+{}_{92}^{235}{\rm {U}}\longrightarrow {}_{54}^{140}{\rm {Xe}}+{}_{38}^{94}{\rm {Sr}}+n+n+185\,{\rm {MeV}}\end{matrix}}$

(15.4)

它釋放了$\sim 185$ MeV 的能量，以及兩個可以對周圍的原子核造成類似反應的中子。事實上，在反應 (15.4) 中，我們得到的不是一個初始中子，而是兩個中子，這一點至關重要。這使我們有可能實現所謂的鏈式反應，如圖 15.4 所示。

圖 15.4： 鈾原子核的鏈式反應。

在這樣的過程中，一箇中子撞擊一個重核，釋放的兩個中子又撞擊另外兩個重核，產生四個中子，依次類推。這個過程發展得非常快。在不到一秒鐘的時間內，就會釋放出大量的能量，這意味著爆炸。實際上，這就是所謂的原子彈的工作原理。

我們可以控制鏈式反應的發展嗎？當然可以！這是在核反應堆中完成的，核反應堆為我們提供能量。它是如何做到的呢？

臨界質量

首先，如果包含裂變核的材料塊太小，一些中子可能會到達它的表面並逃逸，不會引起進一步的裂變。因此，對於每種型別的裂變材料，都存在一個可以維持爆炸性鏈式反應的最小樣本質量。它被稱為臨界質量。例如，${}_{92}^{235}{\rm {U}}$的臨界質量約為 50 公斤。如果質量低於臨界值，核爆炸就不可能發生，但能量仍然會釋放，樣本會變熱。質量越接近其臨界值，釋放的能量就越多，樣本的輻射強度就越高。

可以透過改變樣本的幾何形狀（使它的表面積更大）或在樣本中放入一些能夠吸收中子的材料（硼或鎘）來降低樣本的臨界性（即它接近臨界狀態的程度）。另一方面，可以透過在樣本週圍放置中子反射器來提高臨界性。這些反射器就像鏡子一樣，可以將逃逸的中子反射回樣本中。因此，透過移動吸收材料和反射器，我們可以使樣本接近臨界狀態。

核反應堆的工作原理

在典型的核反應堆中，燃料不是一塊完整的，而是以幾百根垂直的棒狀形式，就像刷子一樣。另一個包含中子吸收材料（控制棒）的棒狀系統可以上下移動到燃料棒之間。當控制棒完全插入時，它們會吸收大量的中子，使反應堆停止執行。為了啟動反應堆，操作員會逐漸向上移動控制棒。在緊急情況下，控制棒會自動下降。

為了收集能量，水會流過反應堆堆芯。水會變得極其熱，然後流到蒸汽發生器。在那裡，熱量會傳遞到二級迴路中的水，二級迴路中的水會變成蒸汽，用於反應堆外殼之外旋轉渦輪機，從而發電。

南非的核能

到 2004 年，南非只有一座商業核反應堆為國家電網供電。它位於開普敦以北 30 公里的科伯格。佩林達巴也運營著一座小型研究堆，作為核武器計劃的一部分，但後來被拆除了。

科伯格核電站是一座鈾壓水堆 (PWR)。在這種反應堆中，一次冷卻劑迴路加壓，以防止水沸騰，並使用稱為蒸汽發生器的熱交換器將熱量傳遞到允許沸騰以產生蒸汽的二次冷卻劑。為了儘可能地去除熱量，一次迴路中的水溫被允許升高到約 $300^{\circ }$C，這需要 150 個大氣壓的壓力來防止水沸騰。

科伯格核電站擁有南半球最大的汽輪發電機組，發電量為 1800 兆瓦。科伯格的建設始於 1976 年，其兩個機組分別於 1984 年和 1985 年投入執行。自那時起，該電站一直處於基本連續執行狀態，沒有發生過重大事故。

運營該電站的埃斯庫姆公司可能是當前的科技領先者。它正在開發一種新型核反應堆，即模組化球床反應堆 (PBMR)。與傳統的核反應堆不同，這種新型反應堆的燃料並非以燃料棒的形式組裝。鈾、釷或鈽燃料以氧化物（陶瓷形式）的形式包含在由熱解石墨製成的球形球體中。這些球體大小如同網球，被放置在一個容器或罐中。一種惰性氣體，如氦氣、氮氣或二氧化碳，在燃料球體之間的空間中迴圈。這將熱量從反應堆中帶走。

理想情況下，加熱後的氣體直接透過渦輪機執行。但是，由於來自一次冷卻劑的氣體可能因反應堆中的中子而變得具有放射性，因此通常將其送到熱交換器，在那裡它加熱另一種氣體或蒸汽。

球床反應堆的主要優勢在於，它們的設計可以實現固有安全。當球床反應堆變熱時，燃料中原子更快的運動會增加中子被 ${}_{92}^{238}$U 同位素捕獲的可能性，這種效應被稱為多普勒增寬。這種同位素在捕獲中子後不會分裂。這減少了可用於引起 ${}_{92}^{235}$U 裂變的中子數量，從而降低了反應堆的功率輸出。這種天然的負反饋機制在沒有任何操作人員干預的情況下，對燃料的溫度設定了一個固有的上限。

反應堆由一種惰性的耐火氣體冷卻，因此不會像水反應堆那樣發生蒸汽爆炸。

因此，球床反應堆即使所有輔助機械都發生故障，反應堆也不會破裂、熔化、爆炸或釋放有害廢物。它只會升高到設計的“怠速”溫度並保持在該溫度。在這種狀態下，反應堆容器會散發出熱量，但容器和燃料球體將保持完整且無損。機械可以維修，燃料可以取出。

球床反應堆相對於傳統水反應堆的一大優勢是，它們可以在更高的溫度下執行。反應堆可以直接加熱流體，用於低壓燃氣輪機。高溫使系統能夠從相同數量的熱能中獲得更多的機械能。

另一個優勢是，不同燃料的燃料球體可以在相同的基本反應堆設計中使用（儘管可能不是同時使用）。支持者聲稱，某些型別的球床反應堆應該能夠使用釷、鈽和天然未濃縮鈾，以及常用的濃縮鈾。正在進行的專案之一是開發使用來自剩餘或過期的核爆炸物的鈽的球體和反應堆。

2003 年 6 月 25 日，南非共和國環境事務與旅遊部批准了埃斯庫姆公司為科伯格核電站建造的 110 兆瓦球床模組化反應堆原型。埃斯庫姆公司還獲得了在佩林達巴建造球床燃料生產廠的批准。這種燃料的鈾將從俄羅斯進口。如果試驗成功，埃斯庫姆公司表示將在南非海岸建造多達 10 座本地 PBMR 電站。埃斯庫姆公司還希望每年出口多達 20 座 PBMR 電站。預計的出口收入為每年 80 億蘭特，可能僱用約 57000 人。