废土科学指南,原子核裂变反应堆简单介绍

2019-11-15 21:13栏目:奥门新萄京娱乐场
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虽然辐射系列被B社接手之后很多风格都改变了,但最重要的那件事情始终未改——废土。永不改变的战争留下的废土。既是舞台也是演员的废土。沉默地记录下无数故事的废土。继承了从《荒原》到《莱博维茨的赞歌》到《疯狂麦克斯》到《废土》(1988)的美学传统的废土。但当然最重要的,是承载了整个20世纪50年代对原子世界的希望和恐惧的那个废土。

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自发衰变核电池:早已熄灭的战前余晖

辐射的世界里,化石燃料在21世纪中叶耗竭。虽然还有少量的水电(胡佛水坝)、太阳能(Helios One)、地热能(13号掩蔽所),但核能已经是毫无疑问的主导能源。不过,在现实社会中发生在电子产品上的微型化进程,在辐射的世界里却发生在了核反应堆上,让核能成为足以取代内燃机和涡轮机的动力源。一个容纳几千人的掩蔽所就可以有自己独立的核电站,一辆汽车可以有单独的核能发动机,甚至连一支高斯步枪都能用微型核电池作为能源,打出它致命的2mm EC子弹。

图片 1辐射2中Gecko city的核反应堆,这是战前留下的遗物。如果你足够熟悉战前工程知识,可以好心帮忙,优化它的运行——但会导致这个核电厂变成战略目标,原先和平居住在这里的居民们将被附近的强权势力Vault city强行赶走。欢迎来到废土。图片来源:Fallout 2 截图

但在现实世界的物理定律下,这个场景是不会诞生的。

原子核自发衰变,或者遭到其它粒子击打而裂变时,都会放出热量;核电站的基本原理就是把这些热量用水流带走,转化成水蒸气,推动蒸汽轮机发电。从这一点上讲,核电站和其它传统火电站的“发电”过程并无本质区别——都是在烧锅炉而已,核电站工作人员大概是最高级的锅炉工人。

不过只靠放射性物质自然衰变,效率太低。这也是当然:自发衰变效率太高的,早就衰变完了,哪里会富集成矿等你来用。皮埃尔·居里当年的实验结果是,一块镭的辐射能在一小时之内融化同等质量的一块冰,这虽然也挺了不起,但用来当热能发电机还差些火候。

自发衰变目前只有一种可行的使用方式:核电池。我们可以用各种热电转化元件把热量转变成电流,也可以直接利用核反应释放出来的带电粒子制造电流。现实中的核电池有一个关键用途:为太空探测器提供电力——能量密度高,持续时间长,不但供电而且产热,再合适不过了。好奇号火星车使用的就是钚238核电池。

图片 2一块因为产热而发红的二氧化钚。图片来源:wikipedia

不过,在废土上这样做有两个问题:

(1)自发衰变是完全不可控制的,所以电源的能量输出也不能做到收放自如。一枚核电池会稳定地在几年到几十年里走完它的有效生命历程,不管电池有没有插在电池槽里。也因此,就算电池的能量密度再高,平均到几十年的尺度之下,它的瞬时功率也很低。这样的电池很适合那些需要常年稳定不间断、但是功率又很低的电源需求,比如给人造卫星和外太空探测器上的电脑供电。可是用这样的电源来开车、发射子弹、供应能量装甲的运行?太难了,并且也不可能出现“打一枪消耗一颗核电池”的情景。

(2)衰变太慢的同位素,功率低到不能用;衰变太快的同位素,又不会有天然矿产。目前实用的核电池,全都是靠人工生产的——从核反应堆废料中提纯那些半衰期在几年到几十年之间的适当同位素。废土上的大战已经过了两百年,战前残余的电池一定早就过期了,拾荒者不可能捡到还能用的;而还在正常运作的核电站也屈指可数,作为核电池的唯一来源肯定控制了废土经济命脉;但这两者都没有发生。

因此,自发衰变并不能支持废土上的军事和经济;看起来,他们一定拥有了某种真正的微型反应堆。

图片 3好奇号使用的RTG核电池,能稳定输出110W的电功率长达数年,还附带产热。但用来驱动汽车的话……图片来源: Idaho National Laboratory

4)由于用普通水作慢化剂和冷却剂,热中子吸收截面较大,因此不可能用天然铀作核燃料,必须使用浓缩铀(铀-235的含量为2—4%)作核燃料。沸水堆和压水堆同属于轻水堆,它和压水堆一样,也用普通水作慢化剂和冷却剂,不同的是在沸水堆内产生蒸汽(压力约为7 MPa),并直接进入气轮机发电,无需蒸汽发生器,也没有一回路与二回路之分,系统特别简单,工作压力比压水堆低。然而,沸水堆的蒸汽带有放射性,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剂和冷却剂,因为其热中子吸收截面远小于普通水的热中子吸收截面,所以可以用天然铀作为重水堆的核燃料。所谓热中子,是指铀-235原子核裂变时射出的快中子经慢化后速度降为2200 m/s、能量约为1/40 eV的中子。热中子引起铀-235核裂变的可能性,比被铀-238原子核俘获的可能性大190倍。这样,在以天然铀为燃料的重水堆中,核裂变链锁反应可持续进行下去。由于重水慢化中子不如普通水有效,因此重水堆的堆芯比轻水堆大得多,使得压力容器制造变得困难。重水堆仍需配备蒸汽发生器,一回路的重水将热量带到蒸汽发生器,传给二回路的普通水以产生蒸汽。重水堆的最大优点是不用浓缩铀而用天然铀作核燃料,但是阻碍其发展的重要原因之一是重水很难得到,因为在天然水中重水只占1/6500。

图片 4辐射4概念图。来源:Bethesda

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十二年前那些为黑岛工作室之死而痛哭流涕的辐射粉丝们,估计没有想到能看见这一天吧。

1972年5月,法国一座核燃料处理厂的一名工人

《辐射4》(Fallout 4)终于面世了。

奥克罗还演示了一种方法,能够储存那些一度被认为肯定会对环境造成污染的核废料。自从核能发电问世以来,核电站产生的大量放射性氙135、氪85和其他惰性气体,都被释放到大气之中。天然裂变反应堆表明,磷酸铝矿物拥有一种独一无二的能力,能够俘获和储存这些气体废料达几十亿年之久,把这些废气封存在这种矿物之中也许是可行的。

裂变:原子时代的遗产

除了自发衰变之外,我们还有裂变:譬如说,一个U-235原子被中子轰击时不但自己裂开放热,还能再放出平均2.4个中子。如果我们让大量U-235集中在一起,每一个新中子都能找到下家,最后指数增长的结果就是核弹。如果让U-235分散开来,设法保证平均每裂变一次只有一个中子能撞击到另一个U-235,而其它中子要么飞走要么被别的原子吸收,让核反应稳定地、平缓地持续下去,就是核反应堆了。

辐射的世界里,那些小型核能源只能是稳定的核反应堆。可是真正的核反应堆要想运行起来,绝不是把一堆核燃料扔到一块就能成的,还需要很多其它条件。

首先要确保新中子确实能被核燃料吸收。中子不带电荷,穿透力相当强,要足够“厚”的核燃料聚在一起才能保证核反应的持续;一个正常的核电站反应堆需要起码几十吨低浓度核燃料,而原子弹里极高纯度的U235也需要一千克左右才能炸得起来。何况新产生的中子速度太快了,不容易被原子核捕获,需要用水或者是石墨作为“减速剂”,让它们的速度慢下来。

其次就是控制中子不要太多。把一堆足够驱动核电站的核燃料堆在一起,不管不问,它们的中子再生率将会大于1,因此链式反应将会慢慢地变快,最后把核燃料熔化成一团高温液体,四处流动,同时释放出各种裂变产物和放射线——不过因为纯度太低,还不能炸开。现实中我们的办法是加入“控制棒”,这些控制棒很容易吸收中子,但自身不会发生核反应,用它们来控制中子的数量,防止反应过快冷却系统跟不上。

最后当然还有其它的外围设施:安全保护层,冷却系统,蒸气涡轮发电机,等等。当然,对于一个敢于把锶90加到可乐里(Nuka-Cola Quantum)的世界来说,大概一切保护都是浮云……而且他们还有处理核辐射的特效药Radaway 和Rad-X,而我们的世界里只有碘片能部分地模拟Rad-X的功能。

可是,辐射里设定一颗小型能量电池(SEC)的重量只有0.078磅(约35克),而200个SEC就能让二代里那辆克莱斯勒在废土跑上几十天,如此高的效率除了核能无人能及,但35克的电池又是怎么装下一个核反应堆这么多设施的呢……

图片 5F3里面的能量电池,这输出电压1040.8V直流电是不是有点儿高……图片来源:Fallout wikia

聚变:现实中的能源之梦

比SEC更进一步的,那就是微型核融合电池(MFC)。(实际上F代表Fusion——核聚变,但因为辐射最早汉化是繁体版,所以玩家之间通用的是台湾译法“核融合”。)不过可控核聚变的难度更大,因为核聚变要求两个原子核直接相撞,而原子核是带正电的,这比用中性的中子去撞原子核的难度大得多。现实中的氢弹是先引爆一颗小原子弹,用它产生的高温高压来促成核聚变的诞生,显然这一招不能用来民用发电。

目前尝试可控核聚变的思路是用外界力量(磁场或者激光)把原子核控制在一个小范围内,推到一起去,这是能行的;问题是按现在的技术,聚变产生的能量还不如推到一起所花的能量多……

曝光率最高的聚变装置可能是所谓的静电约束聚变器(Fusor),只是它现身的主要场合是“美国少年天才14岁打造核聚变反应堆”这样的新闻宣传……其实静电约束聚变器早在20世纪60年代就已经诞生,近年来作为一种简单易行低成本的聚变堆而很受DIY爱好者青睐,造出这样一台机器可以说明有很强的动手能力,但除此之外也就没什么了。这种设计的能量效率极低,聚变产生的能量不到消耗能量的万分之一,除了好看和作为一种简易中子源之外,没有别的用场。

图片 6但是运行中的Fusor是真好看啊……图片来源:wikipedia

核聚变研究中一般用字母Q代表输出能量和维持等离子体稳定花费的能量之间的比值,目前世界纪录保持者是日本的JT-60,它的理论Q值达到了1.25。然而一个反应堆整体要到Q=5才算收支平衡,到Q=20左右才算成为一个合格的核电站;任重道远。对比一下,辐射世界2060年陷入全面石油危机,2066年就开发出了聚变电池的原型机,到2077年大战时自重仅45克的量产机型MFC已经能配发给一般的保安机器人,效率实在不是一般的高。

在《辐射·新维加斯》中还隆重登场了一种新电池:微聚变增殖电池(Microfusion Breeder Cell)。这个名字显然来自现实中的裂变增殖堆。

自然界的铀矿石几乎绝大部分是铀238,这些铀无法作为核燃料使用,过去也没有什么特别好的用场,往往作为核废料掩埋。但是通过控制条件,可以让一部分铀238在反应堆中转化为钚239,把这些钚提纯出来又可以作为核燃料使用,于是燃料一定程度上是越用越多了,故名“增殖反应堆”。由于铀的储量有限,使用这样的燃料应是大势所趋。当然游戏里的聚变反应堆是怎么个增殖法,又是怎么塞进总重不过7磅的充能手枪里,就没人知道了……大概得去问英克雷或者宅先生(Mr. House)吧。

图片 7微聚变增殖电池在游戏里的用法就更加匪夷所思了……相当于是一种可以缓慢自动补充子弹的枪,呃。图片来源:fallout wikia

也许敏感的玩家早已注意到了,这些技术的原型大都不是真正的50年代产物,而是后续的发展;与之类似的是,游戏中的枪械等等细节都以现实中今天的枪械为原型,只是为了维持架空世界的表象而抹去了名字。50年代的未来想象,和任何时代一样,是不需要细节的,因而无论是希望还是绝望都是如此极端。那个时候通用电气可以去拍摄动画片“原子传奇(A is for Atom)”、DC漫画可以推出超级英雄“原子队长(Captain Atom)”,反过来小沃尔特·米勒也可以写出末世毁灭的《莱博维茨的赞歌》,他们的世界只有硬币的两面。

而现实的魔鬼隐藏于繁琐的灰色细节中。50年代的核电站宣传极其乐观,反核宣传也极其恐怖,但今天残酷的现实是,虽然核电站总数据比所有其他电力都更安全,但许多地方核电的成本也比火电还高。如果说科学能带来奇迹的话,那也是一个被物理、技术、经济和法律所约束的奇迹,它几乎总是和一开始那个远大理想相差甚远,甚至令人幻灭。

但是说到底,它又是唯一能真正带来奇迹的方式。(编辑:Calo)

早在1929年,科克罗夫特就利用质子成功地实现了原子核的变换。但是,用质子引起核反应需要消耗非常多的能量,使质子与目标的原子核碰撞命中的机会也非常之少。[1]

战争,战争永不改变。
世界末日的来临和我们预言的没有多少差异:太多的人,太少的资源。细节已经无关紧要;原因纯粹起自于人。向来如此。
人类之手点燃的原子火花燎尽了原野。群星从天空中掷下烈火的长矛,焰如雨下。大陆被炽炎吞噬,落入沸腾的海水之中。我们的灵魂融入了背景辐射里,覆满大地。寂静的黑暗笼罩整个星球,年复一年。
然而这并非人类历史的最后一页,而只不过是又一部血腥篇章的序幕而已。那些在地下掩蔽所里的人正在等待冬天的结束,那些在地面上幸存的生命正在学习世界的新规则。从旧世界的废墟上,从核毁灭的灰烬中,新的村庄、新的部落、新的社会形态、新的文明体系正在挣扎着爬起,重拾旧日的怨毒或者铸造全新的仇恨。虽然人类已经成功地毁灭了一个世界——可是战争,战争永不改变。

▪屏蔽层

在这个意义上,《辐射》是真的。因此,讨论它所在的那个世界,也是有真实的意义的。作为这个系列的开篇,本文涉及的是能源问题。

间歇式核反应堆

是的,《辐射》系列的世界背景是2077年核战争毁灭世界之后的两百年;但是许多老玩家可能都没有意识到的是,这个世界并非我们的未来。辐射的宇宙早在1947年就和我们分道扬镳,进入了永不结束的原子黄金时代,有着不同的历史、不同的科技发展、甚至不同的物理和生物定律。即便如此,这个时代诞生自现实中的想象——50年代媒体和大众对未来的预想,50年代毫无理由的乐观与濒临毁灭的绝望的交织,50年代人类初窥原子之力时的真实梦境。

液态金属冷却快堆

慢化剂

1历史沿革

非正常运行的核电站能够带来大问题。切尔诺贝利灾难是最近的一个例子;2011年3月12日,地震导致日本福岛县第一和第二核电站发生核泄漏。

▪控制棒

冷堆系统

平利用原子能的新的一页。英国和美国分别于1956年和1959年建成原子能发电站。到2004.9.28,在世界上31个国家和地区,有439座发电用原子能反应堆在运行,总容量为364.6百万千瓦,约占世界发电总容量的16%。其中,法国建成59座发电用原子能反应堆,原子能发电量占其整个发电量的78%;日本建成54座,原子能发电量占其整个发电量的25%;美国建成104座,原子能发电量占其整个发电量的20%;俄罗斯建成29座,原子能发电量占其整个发电量的15%。我国于1991年建成第一座原子能发电站,包括这一座在内,当前投入运行的有9座发电用原子能反应堆,总容量为660万千瓦。我国另有2座反应堆在建设中。我国还为巴基斯坦建成一座原子能发电站。

核电行波堆的名字借用了无线电技术的行波管,但是物理本质截然不同。行波管是利用电子枪发射的电子注在聚焦系统中给同向传输的微波传递能量,从而放大微波信号。而核电行波堆则是利用起始端少量高浓度铀235裂变产生的快中子轰击贫铀(几乎完全是铀238)生成钚239。钚239俘获中子后裂变生成多达300种的各种中等质量原子,并平均产生2.5个中子和2亿电子伏的能量。裂变能被液态金属钠或其他载热介质吸收用来发电,新产生的中子则维持堆芯里的核反应不断向前行进,直到将整个堆芯“烧”尽为止。行波堆因此得名[4]。

第四代(GEN-Ⅳ)是待开发的安全性更高的核电站,其目标是到2030年达到实用化的程度,主要特征是经济性高(与天燃气火力发电站相当)、安全性好、废物产生量小,并能防止核扩散。

1979年3月,美国三里岛原子能发电站由于操作错误和设备失灵,造成了原子能开发史上空前未有的严重事故。然而,由于反应堆的停堆系统、应急冷却系统和安全壳等安全措施发挥了作用,结果放射性外逸量微乎其微,人和环境没有受到什么影响,充分说明现代科技的发展已能保证原子能的安全利用。

⑥用于推进船舶、飞机、火箭等到的核反应堆,称为动力堆。

核反应堆透视图

原子由原子核与核外电子组成。原子核由质子与中子组成。当铀235的原子核受到外来中子轰击时,一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核,同时放出2—3个中子。这裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子核,引起新的裂变。如此持续进行就是裂变的链式反应。链式反应产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸气,推动汽轮机发电。由此可知,核反应堆最基本的组成是裂变原子核 载热体。但是只有这两项是不能工作的。因为,高速中子会大量飞散,这就需要使中子慢化增加与原子核碰撞的机会;核反应堆要依人的意愿决定工作状态,这就要有控制设施;铀及裂变产物都有强放射性,会对人造成伤害,因此必须有可靠的防护措施;核反应堆发生事故时,要防止各种事故工况下辐射泄漏,所以反应堆还需要各种安全系统。综上所述,核反应堆的合理结构应该是:核燃料 慢化剂 载热体 控制设施 防护装置 安全设施。

液态钠冷却快堆(sodium-cooled fast reactor,SFR)系统是快中子谱钠冷堆,它采用可有效控制锕系元素及可转换铀的转化的闭式燃料循环。SFR系统主要用于管理高放射性废弃物,尤其在管理钚和其他锕系元素方面。该系统有两个主要方案:中等规模核电站,即功率为150~500兆瓦,燃料用铀-钚-次锕系元素-锆合金;中到大规模核电站,即功率为500~1 500兆瓦,使用铀-钚氧化物燃料。

中文名

熔盐反应堆(molten salt reactor,MSR)系统是超热中子谱堆,燃料是钠、锆和氟化铀的循环液体混合物。熔盐燃料流过堆芯石墨通道,产生超热中子谱。MSR系统的液体燃料不需要制造燃料元件,并允许添加钚这样的锕系元素。锕系元素和大多数裂变产物在液态冷却剂中会形成氟化物。熔融的氟盐具有很好的传热特性,可降低对压力容器和管道的压力。参考电站的功率水平为1000兆瓦,冷却剂出口温度700~800℃,热效率高。

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屏蔽层

超临界水冷堆

在搞清了观测到的氙同位素在磷酸铝中产生的基本过程之后,我和我的同事们试图从数学上为这个过程建立一个模型。这个计算揭示了有关反应堆运转时间的更多信息,所有的氙同位素都提供了大致相同的答案。我们研究的那个奥克罗反应堆每次“开启”30分钟,然后再“关闭”至少2.5小时。这样的模式犹如我们所看到的一些间歇泉,先是缓慢地加热,然后在一场壮观的喷发中将积蓄的地下水统统蒸腾而出,接着再重新蓄水,开始新一轮循环,日复一日、年复一年地持续下去。这种相似性支持了这样的观点:流经奥克罗矿脉的地下水不仅充当着中子慢化剂的角色,还不时会被蒸发殆尽,形成保护这些天然反应堆不至于自我摧毁的调节机制。在这方面,这种调节机制十分有效,数十万年间没有发生一次熔毁或爆炸事件。

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很大程度上,以上这些问题使得在美国建设新核电站的尝试偏离了正常轨道。因为社会似乎普遍认为建设核电站风险超过了回报。

奥克罗的铀异常情况被发现之后不久,物理学家就确定,天然的裂变反应导致了铀235的损耗。一个重原子核一分为二时,会产生较轻的新元素。找到这些元素,就等于找到了核裂变确凿无疑的证据。事实证明,这些分裂产物的含量如此之高,因此除了核链式反应以外,不可能存在其他任何解释。这场链式反应很像1942年恩里科·费米(Enrico Fermi)及其同事所做的那场著名演示(当时他们建成了世界上第一座可控原子核裂变链反应堆),反应全靠自己的力量维持运转,只是时间上提早了20亿年。

7应用领域

非常不幸的是,核电站的运行也存在一些严重的问题:

按照历史年代分类

主要特点

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运输核燃料往返于核电站带来了一些风险,不过迄今为止,美国并没有发生过这种事故。

组成结构

前苏联于1954年建成了世界上第一座原子能发电站,掀开了人类和

第一代(GEN-I)核电站是早期的原型堆电站,即1950年至1960年前期开发的轻水堆(light water reactors,LWR)核电站,如美国的希平港(Shippingport)压水堆(pressurized-water reactor,PWR)、德累斯顿(Dresden)沸水堆(boiling water reactor,BWR)以及英国的镁诺克斯(Magnox)石墨气冷堆等。

①将中子束用于实验或利用中子束的核反应,包括研究堆、材料实验等。

冷却剂

如果奥克罗矿脉一直处于封闭状态,那么在它的天然反应堆运转期间积聚起来的氙气,就会保持核裂变所产生的正常同位素比例,并一直保存至今。但是,科学家没有理由认为,这个系统会是封闭的。实际上,有充分的原因让人猜想,它不是封闭的。奥克罗反应堆可以通过某种方式自行调节核反应,这个简单的事实提供了间接的证据。最可能的调节机制与地下水的活动有关:当温度达到某个临界点时,水会被煮沸蒸发掉。水在核链式反应中起到了中子慢化剂的作用,如果水不见了,核链式反应就会暂时停止。只有当温度下降,足够的地下水再次渗入之后,反应区域才会继续开始发生裂变。

氢元素提供证据

1954年前苏联建成世界上第一座原子能发电站利用浓缩铀作燃料,采用石墨水冷堆,电输出功率为5000千瓦。1956年,英国也建成了原子能电站。原子能电站的发展并非一帆风顺,不少人对核电站的放射性污染问题感到忧虑和恐惧,因此出现了反核电运动。其实,在严格的科学管理之下,原子能是安全的能源。原子能发电站周围的放射性水平,同天然本底的放射性水平实际并没有多大差别。

【嵌牛导读】:核反应堆[1],又称为原子能反应堆或反应堆,是能维持可控自持链式核裂变反应,以实现核能利用的装置。核反应堆通过合理布置核燃料,使得在无需补加中子源的条件下能在其中发生自持链式核裂变过程。严格来说,反应堆这一术语应覆盖裂变堆、聚变堆、裂变聚变混合堆,但一般情况下仅指裂变堆。

有时还要亲自去解决石墨材料的采购问题。

加蓬的这些远古反应堆是地球曾经出现过的唯一天然反应堆吗?20亿年前,自持裂变所需的条件并不十分罕见,有朝一日,我们或许能够发现其他的天然反应堆。我想,一丝泄露天机的氙气,将给这项搜寻工作带来极大的帮助。

第三个重要因素是,必须存在某种中子“慢化剂”(moderator),减慢铀原子核裂变时释放的中子的运动速度,从而使这些中子在诱使铀原子核分裂时,更加得心应手。最终,矿脉中不能出现大量的硼、锂或其他“毒素”,这些元素会吸收中子,因此可以令任何核裂变反应戛然而止。

我们可以利用的唯一一块奥克罗矿石碎块仅有1毫米厚、4毫米宽,我们把这种技术应用到碎块上的许多微小斑点之上。当然,我们首先需要决定将激光束聚焦到什么位置。在这方面,我和霍恩贝格得到了同事奥尔加·普拉夫迪夫切娃(Olga Pravdivtseva)的鼎力相助,她为我们的样本拍摄了一张详尽的X射线照片,识别出了候选的矿物。每次萃取之后,我们都会将得到的气体提纯,然后把氙气放入霍恩贝格的质谱仪中,仪器会显示出每一种同位素的原子数目。

核反应堆内部

人类第一座核反应堆的设计者:费米

6主要特点

重元素分裂产生的氢元素提供了确凿无疑的证据:奥克罗铀矿在20亿年前确实发生过自持核裂变反应,而且持续时间长达数十万年。

超临界水冷堆(super-critical water-cooled reactor,SCWR)系统是高温高压水冷堆,在水的热力学临界点(374℃,22.1兆帕)以上运行。超临界水冷却剂能使热效率提高到轻水堆的约1.3倍。该系统的特点是,冷却剂在反应堆中不改变状态,直接与能量转换设备相连接,因此可大大简化电厂配套设备。燃料为铀氧化物。堆芯设计有两个方案,即热中子谱和快中子谱。参考系统功率为1 700兆瓦,运行压力是25兆帕,反应堆出口温度为510~550℃。

别    名

行波堆

人们大概会设想,从事核电工业的工程师也许能在奥克罗学到一两样本事。他们确实能学到东西,不过不一定是有关反应堆设计的,更重要的也许是处置核废料的方法。毕竟,奥克罗就像一个地质储藏室那样运转了如此漫长的时间,这就是科学家要细致入微地进行调查的原因,他们想知道裂变的各种产物如何从这些天然核反应堆中迁移出来。他们还仔细检查了另一处类似的远古核裂变区域,这个地点是通过勘探钻井发现的,位于大约35千米以外的一个叫作班哥贝(Bangombe)的地方。班哥贝反应堆之所以特别引人注目,是因为它的埋藏位置比奥克罗及奥克罗班多地区的露天铀矿更浅,因此有更多的水流过那里。总之,调查得出的结论令我们信心倍增:多种危险的核废料都能够成功地被隔离于地下。

▪行波堆

5组成结构

核电站的乏燃料[8]在几百年内都是有毒的,并且到目前为止,世界上没有能安全、永久地存储它们的设施。

奥克罗反应堆还向科学家们透露了这样的讯息:他们曾经认定为基本物理常数的α(阿尔法,控制着诸如光速这样的宇宙参数),可能曾发生过改变。过去30年来,发生在20亿年前的奥克罗现象一直被用来驳斥α曾经发生过改变的观点。但是2005年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的史蒂文·K·拉蒙诺(Steven K. Lamoreaux)和贾斯廷·R·托格森(Justin R. Torgerson)却根据奥克罗现象推断,这一“常数”确实发生了明显改变(而且十分奇怪的是,他们得出的常数改变方向与其他人得出的结论相反)。对于拉蒙诺和托格森的计算来说,奥克罗运转过程的一些细节十分关键,从这个角度上来讲,我和我的同事们所做的工作,也许有助于阐明这个复杂的问题。

核化学

在奥克罗反应堆运转的每个活跃期和随后温度仍然很高的一段时间里,大量的氙气(包括形成速度相对较快的氙136和氙134)会被赶走。等到反应堆冷却时,半衰期更长的氙前体(也就是最后会产生含量比较丰富的氙132、氙131和氙129的放射性前体)则会优先与正在形成的磷酸铝颗粒结合起来。随着更多的水回到反应区域,中子被适当地慢化,裂变反应再度恢复,使这种加热和冷却的循环周而复始地重复下去。由此产生的结果,就是我们所观察到的、奇特的氙同位素构成比例。

超高温气冷堆(very high temperature reactor,VHTR)系统是一次通过式铀燃料循环的石墨慢化氦冷堆。该反应堆堆芯可以是棱柱块状堆芯(如日本的高温工程试验反应器HTTR),也可以是球床堆芯(如中国的高温气冷试验堆HTR-10)。

惰性气体揭露谜底

中子屏蔽需用有较大中子俘获截面元素的材料,通常含硼,有时是浓缩的硼-10。有些屏蔽材料俘获中子后放射出γ射线,因此在中子屏蔽外要有一层γ射线屏蔽。通常设计最外层屏蔽时应将辐射减到人类允许剂量水平以下,常称为生物屏蔽。核电站反应堆最外层屏蔽一般选用普通混凝土或重混凝土。

原理

气冷快堆

控制棒

人类第一台核反应堆由美国籍意大利著名物理学家恩利克·费米领导的小组于1942年12月(曼哈顿计划期间)在世界顶级学府芝加哥大学建成,命名为芝加哥一号堆(Chicago Pile-1)[2]。该反应堆是采用铀裂变链式反应,开启了人类原子能时代,芝加哥大学也因此成为人类“原子能诞生地”。

③生产核裂变物质的核反应堆,称为生产堆。

转载自:

编辑

熔盐堆系

核反应堆原理

姓名:于川皓 学号:16140210089

领    域

历史沿革

3原理

VHTR(超高温气冷堆)系统提供热量,堆芯出口温度为1 000℃,可为石油化工或其他行业生产氢或工艺热。该系统中也可加入发电设备,以满足热电联供的需要。此外,该系统在采用铀/钚燃料循环,使废物量最小化方面具有灵活性。参考堆采用600兆瓦堆芯。

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