铀－核反应堆

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核裂变链式反应无疑是可以实现的(次级中子数大于1)。但是从理论到实践终究是不容易的，要真正造成核裂变链式反应，是一件十分艰巨而复杂的工作，必须解决一系列技术上的难题。

    由于军事上的需要，1942年12月2日—在铀核裂变现象发现后仅仅四年的时间，就由费米领导的一个小组，在美国芝加哥大学的一个网球场里建成了世界上第一座核反应堆，第一次实现了人工的核裂变链式反应，为大规模利用原子能开辟了道路。

    对于一个进行自持链式反应的装置—核反应堆来说，必须具备哪些条件呢？首先，必须有一个让链式反应能够持续进行的地方；其次，必须把核裂变链式反应产生的大量热量取出；第三，必须能够对链式反应加以控制；第四，必须对核裂变产生的放射性物质加以控制，对核辐射加以防护。

    根据上述要求，一个核反应堆一般由以下几个部分组成：活性区，这是进行链式反应的地方；冷却系统，这是用来保证活性区不被烧坏，使热量能取出来加以利用的系统；控制系统，这是用来监察和控制链式反应进行的系统；防护系统，这是用于保护工作人员不受核辐射和放射性物质危害，并保证放射性物质不致污染环境的系统。

    活性区是反应堆的心脏，主要由核燃料、馒化剂和控制棒组成，冷却剂也从这里通过。核燃料中含有裂变物质(如铀235)，是用来进行链式反应的材料，它是反应堆核心的核心。

    在反应堆中，通常有足够多的核燃料，使链式反应不但能进行，而且能够扩大规模，这样才能维持高功率运行。但是当链式反应发展到一定规模、反应堆具有足够高的功率时，要控制链式反应的发展，使反应堆的功率维持在一定水平上，就要去掉反应堆内的部分中子，不让它们参加链式反应，使中子增殖系数k等于1。

    为了做到这一点，通常需采用能够强烈吸收中子的物质，如硼、镉等制成的所谓控制棒，来对反应堆的运行加以控制。控制棒放入堆内时，由于它们吸收了大量的中子，使链式反应的规模减小，反应堆的功率就下降，甚至停止运行；若把它们取出堆外，由于它们不再吸收中子，链式反应的规模就扩大，反应堆的功率也就上升；若把他们调整到适当的位置，就可以使反应堆在一定的功率下稳定运行。

    反应堆就是这样通过控制棒来进行控制的。根据需要，可以随意地使反应堆启动、稳定运行或者停止下来。因此，反应堆内的链式反应是一种可控的自持链式反应。

    费米等建造的世界上第一座反应堆采用天然铀作核燃料，石墨作慢化剂。这座反应堆是用大小约10×10×15立方厘米的石墨块“堆”成的，在一部分石墨块上钻有直径约为5厘米的圆孔，在圆孔内放置重约2千克的金属铀棒或氧化铀棒。

    石墨块一层层地堆起来，没有铀棒的石墨块和带有铀棒的石墨块交替放置，一共50层。在第50层以上，再放四层用来反射中子的石墨。最上面是15厘米厚的铅板和1.5米厚的木材构成的防护层。侧面的防护层由30厘米厚石墨和1.5米厚混凝土做成。这座反应堆的总体积约为10×10×7立方米，总重量约为1400吨，内中装铀约52吨。

    这座反应堆的运行是通过五根镀有镉的青铜棒进行控制的。其中一根穿过堆体；另一根可以插入堆内任何深度，用于调整反应堆的功率；其余三根是“安全棒”，平时放在堆外，必要时可迅速插入堆内，使链式反应立即停止。这座反应堆没有冷却设备，因此它的功率很小，总共只有几百瓦。

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下面一段是费米对第一座反应堆首次启动情况的描述：“我们日夜期待的日子终于来到了。那一天，我们聚集在离地面约十英尺的平台上。面对着我们的就是大厅里的那堆‘建筑’。

    “一位名叫韦尔的青年科学家站在我们下面，他的职责是操纵最后一根控制棒，以便校正反应。

    “为了防止发生意外，我们采取了几道预防措施。反应堆里放有三组控制棒，一组是自动的；另一组是用绳索系定的安全棒，津恩掌握着绳索，一有出问题的迹象他就松开绳索，棒便会立刻插回堆里；最后一根控制棒仍插在堆里，它有启动、加速和停止反应的功能。这就是韦尔所操纵的那一根。

    “因为以前从来没有人做过这种实验，为了安全起见，我们有一个‘控制液小组’，准备在控制棒万一失灵时，把镉盐溶液灌进堆里去。在实验开始前，我们还仔细地预演了各种安全预防措施。

    “抽控制棒的时刻终于来到了。韦尔开始慢慢地抽出那根最重要的控制棒。那时，我们站在平台上，注视着各种指示仪表——它们能显示中子计数，并能告诉我们铀原子受到中子打击的速率到底有多快。

    “上午十一点三十五分，正当计数器嗒嗒地响得正快的时候，突然轰隆一声巨响，自动安全棒已经插回反应堆里了——这是因为控制棒的安全指标定得太低了一点。

    “也正好是该吃午饭的时候了。午餐时，每人心里都在想着这次实验，可是没有一个人过多地谈论它。

    “下午二点半，韦尔又一英寸一英寸地把控制棒抽出、核对，再抽出、再核对……。

    “不久，指示仪表上显示出中子强度开始以一种缓慢的、但是不断增长的速率在上升。这时，我们知道反应堆已经到达自持状态了。

    “没有一根保险丝被烧断，也没有发出任何火焰闪光，它完全不象是一件奇迹的出现。但是对我们来说，这意味着，大规模释放核能只是时间的迟早而已。”

    自从第一座反应堆成功地运行以后，各种各样的反应堆犹如雨后春笋，竞相问世。到目前为止，世界各国已建立了七百多座反应堆。反应堆大小不一，类型繁多。例如，按核燃料的种类分，可分成天然铀堆、加浓铀堆、钚堆；按慢化剂的种类分，可分成石墨堆、重水堆、轻水(即普通水)堆、气冷堆、熔盐堆等；按使用的中子能量又可分为热中子堆、中能中子堆和快中子堆；按用途分，则可分为动力堆、生产堆和研究试验堆等等。

    铀作为一种新能源，是通过反应堆来实现的。用反应堆来发电，是反应堆的一个主要用途。利用原子能来发电，具有很大的优越性。首先，核电站所消耗的燃料量要比火电站少得多。例如一座电功率为一百万千瓦的火电站，一年要烧三百万吨煤，而同样功率的核电站，只要二、三十吨核燃料就够了，而且一次装料可以用上一年、两年，甚至更长的时间。

    核燃料资源比化学燃料资源可提供大得多的能量，因此从长远观点来看，它更能满足生产发展的需要。对于缺煤少油的国家和边远地区，原子能发电更显示出特殊的优越性。

    用原子能发电，还可以把化学燃料节省下来，使它们利用得更合理。因为煤和石油是制造合成纤维、塑料、医药、染料和人造橡胶等重要工业产品的优良原料，从发展的观点来看，单单为了获得能量而把它们烧掉是很可惜的。

    发电用的反应堆主要有气冷堆、重水堆、轻水堆、快中子增殖堆几种类型。

    气冷堆是用天然铀作燃料，石墨作慢化剂，氦气或二氧化碳气体作冷却剂(或称载热剂)。

    重水堆是是用天然铀作燃料，但用重水作慢化剂，用重水或普通水作冷却剂。

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轻水堆又分为压水堆和沸水堆。这类反应堆用普通水作为慢化剂和冷却剂。虽然普通水具有良好的中子慢化性能和导热性质，但由于它吸收中子的能力很强，所以这类反应堆必须采用低加浓铀作燃料。在目前运行的核电站中，轻水堆所占的比例最大。

    快中子增殖堆简称快堆，没有慢化剂，直接利用快中子进行链式反应。快堆有一个非常突出的优点，就是在这种反应堆内，每消耗掉一个裂变物质的原子核，还同时能生成一个以上新裂变物质的原子核，因此当这种过程继续下去时，一方面释放出大量的能量，以供发电之用，另一方面反应堆内的核燃料也越积越多。这种反应堆能更有效地利用铀资源，并且还可以利用储量比铀还丰富的钍资源，因此被认为是一种最有发展前途的反应堆。目前许多国家都在对这种反应堆进行积极研究，有些国家已建成了原型快堆。

    核反应堆还可用作运输工具的动力，其主要优点是续航力大，只需消耗几公斤裂变物质，就足以使万吨巨轮作环球航行。特别是对于潜艇来说，反应堆的出现，使其性能有了根本性的变革。近代的快速核潜艇，其水下航速已经超过水面大型舰只的速度，续航力可达90万公里(即可环球航行二十二圈半)，燃料可十年不换。由于核反应堆动力推进不需要氧气，核潜艇能长期潜在水下航行，成为名副其实的潜水艇。由于海洋这个特殊的环境，船舶推进用的反应堆，一般都是压水堆。

    核反应堆的另一个重要用途是生产钚239。钚239是原子弹的一种装药，它是铀238在反应堆内吸收中子后经两次β衰变而生成的。用于生产钚239的反应堆一般是石墨水冷堆。另外，氢弹的装药氚也是在反应堆内生产的。

    反应堆还有其它许许多多的用途，例如利用反应堆内的中子来生产多种有用的放射性同位素，供国民经济各部门之用；利用反应堆产生的能量来炼铁、炼油，进行煤的气化和焦化，以及海水淡化；利用反应堆来进行各种科学研究等等。

    核反应堆的出现，使人类真正进入了原子能世纪，最重的天然元素铀也因此而变成了最重要的化学元素之一。由于化学燃料的储量有限，又由于可控热核反应尚处于研究阶段，预计今后相当长一个时期内，裂变能源铀(以及社)将在各种能源中占有越来越重要的地位。

    解放以后，我国原子能工业从无到有，获得了迅速的发展。1958年第一座重水型实验反应堆的建成，标志着我国原子能事业进入了一个新的阶段。在这座反应堆上，我国科学工作者开展了各种核物理实验，并且还进行了放射性同位素的生产，为我国原子能事业的发展作出了贡献。

    在第一座反应堆运行以后，我国又建成了一批各种用途的核反应堆。我们相信，今后我国的原子能工业一定会以前所未有的速度向前发展，到本世纪末，在我们伟大祖国的辽阔土地上，定将揭开原子能工业的鲜花。[em05]

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菊子绛

一个人最大的破产是绝望，最大的资产是希望。