[拼音]：fanyingdui

[外文]：reactor

原子核反应堆（又称原子反应堆或核反应堆）的简称。它通常是指使易裂变物质（核燃料）在可控条件下进行自持的核裂变链式反应的装置，即裂变反应堆。此外，人们也把可控核聚变装置称为聚变反应堆。易裂变物质的一个核在一个中子轰击下分裂成两个不同的核（裂变碎片），放出2～3个中子和约200兆电子伏的能量，这种现象叫裂变。裂变时放出的中子可再引起核裂变，形成链式反应。在反应堆中，各种结构的材料的组合，使裂变反应的速率维持在所需的水平并受到精确的控制，同时裂变能以热能的形式有效地传出。反应堆还是一个巨大的中子源；又由于裂变时放出γ射线及裂变产物是β、γ放射性核素，它也是一个巨大的辐射源。为了保证安全，反应堆外围有足够的屏蔽层，还有其他防止放射性物质泄漏的严密设施。（见彩图）

建于美国芝加哥大学的世界上第一座反应堆于1942年12月2日达到临界状况，实现了可控自持的链式反应。它由6吨金属铀、50吨氧化铀、400吨石墨（慢化剂）及镉控制棒组成。由于实现可控的链式裂变反应有多种方案，迄今已发展了多种形式、不同用途的反应堆，功率从不到1千瓦到几吉瓦。利用核裂变能发电，是目前反应堆最重要的用途。已用于核电站的大型反应堆的类型在十种以上，每座反应堆的功率(电)可达1吉瓦。1986年底，全世界功率（电）大于30兆瓦的核电站反应堆正在运行的有377座，在建、已订货或建成未运行的有176座，总计553座，总功率（电）超过428吉瓦。

反应堆由核燃料、慢化剂、冷却剂、控制棒及热交换回路等构成（见图）。

核裂变时放出的中子， 其能量高达2兆电子伏的，叫做快中子，它通过与周围核碰撞而慢化。引入重水、普通(轻)水、石墨、铍、有机物等轻物质能使慢化过程效率提高，这类轻物质叫做慢化剂。为了减少中子损失，慢化剂的中子吸收截面必须很低。中子慢化到与环境温度平衡时叫做热中子，热中子引起核裂变的几率大大增加，因此大多数反应堆都用慢化剂把中子慢化成热中子，这种反应堆叫做热中子反应堆。轻水和重水都是优良的慢化剂，但重水的中子吸收截面只有轻水的1/500。

随着核燃料中易裂变物质的浓度和量的增加，高能量的中子也能维持裂变链式反应。不用慢化剂的反应堆叫做快中子反应堆。

只有铀 233、铀235和钚239三种易裂变核素可用作核燃料。金属铀易发生辐射损伤，在反应堆中使用寿命较短，只能做低燃耗的元件，做成铀锆或铀钼合金可使核燃料的耐辐照性能得到改善。氧化铀的耐辐照性能好，高温下稳定，已获得广泛的应用，缺点是导热性较差。其他陶瓷材料如碳化铀等是正在发展中的新型核燃料元件材料。钚239是铀238俘获中子后的产物，用钚239做反应堆燃料尚处于初始阶段，目前主要是和铀 238一起使用，常见的形式是混合氧化物PuO2+UO2。和钚239一样，铀233在自然界不存在，它由钍232俘获中子生成。由于铀233的核性质优良及自然界钍资源丰富，人们对用铀233作核燃料颇感兴趣，但这种钍－铀核燃料循环尚处于研究阶段。

一定化学形态的核燃料在反应堆中使用时，在大多数情况下要做成具有确定物理性质和外形的燃料芯块，封装在金属包壳中，构成燃料元件棒，常见的是细长圆柱体，如压水动力反应堆的元件棒直径约1厘米，长约3.8米。元件棒组装成棚格形式的元件组件，按一定的布置构成反应堆的堆芯。慢化剂布置在元件棒之间。在这种情况下，燃料（有时还有慢化剂）和冷却剂分别处于不同的相中，它们的配置是不均匀的，这种反应堆叫做非均匀反应堆。燃料与冷却剂或与冷却剂和慢化剂混成一个流体均匀配置的反应堆，叫做均匀反应堆。

核裂变放出的能量主要被裂变碎片以动能形式带出，通过碎片的碰撞减速，以热能释放。其他辐射能也转变成热能。流经堆芯的冷却剂把热带出并通过热交换器传给另一传热介质后再循环回堆芯，构成反应堆的热交换回路。冷却剂必须是中子吸收截面低的物质，并具有良好的传热和流动性。

水是良好的冷却剂，在第一座生产反应堆中就已使用，至今仍是大多数动力反应堆采用的冷却剂。以水为冷却剂的反应堆称水反应堆。用水作冷却剂的严重限制是它的蒸气压高。在动力堆中，可将压力保持在约150大气压，这样，300℃时水仍不沸腾，这种反应堆叫做压水堆；另一种反应堆内压力保持在70大气压，因而水沸腾成蒸汽，这种反应堆叫做沸水堆。在这两种堆中水既是冷却剂又是慢化剂。

与液体相比，气体由于密度低而传热性较差，但可通过增加压力加以改善，以气体为冷却剂的反应堆称气冷反应堆或气冷堆。氦气是最常用的气体冷却剂，它化学上是惰性的，热力学性质和核性质都好，已在高温气冷堆中使用。二氧化碳则在某些温度较低的气冷堆中使用。

液态金属，特别是液态碱金属有极好的传热性，而且在动力堆运行温度下蒸气压很低。其中钠是最常用的冷却剂，因为它的熔点较低(97.81℃)，容易获得，它的核性质对于快中子反应堆特别合适，但它的化学性质活泼，遇水时反应剧烈，在使用中必须特别注意。

熔盐（如混合氟盐）和有机物（如三联苯）等都曾考虑用作反应堆的冷却剂。

反应堆的堆芯（有时包括慢化剂）放在装有冷却剂的反应堆容器中。在高压反应堆中，这个容器是一个厚壁的压力壳。容器外围是屏蔽层、其他部件和安全壳。

反应堆系统用的结构材料必须有合适的核性质和物理性质，并且与冷却剂在运行条件下相容。常用的结构材料有铝、不锈钢和锆合金，铝广泛用于低温反应堆而锆合金及不锈钢广泛用于高温反应堆。厚壁压力容器一般用碳钢制造，内壁衬有不锈钢以符合抗腐蚀的要求。

包壳用来隔开核燃料和冷却剂，以避免它们间的化学作用和防止放射性物质的外泄。包壳材料必须同时与燃料和冷却剂相容，并具有良好的核性质，其中最主要的是中子吸收截面要小。铝和锆合金分别是低温水堆和高温水堆的核燃料包壳材料，不锈钢则用作快中子反应堆的核燃料包壳材料。

反应堆靠提出或插入控制棒来控制链式反应的速率。控制棒由高中子吸收截面的材料（镉、硼、铟、钆等）制成，由自动控制系统对其位置实现精密的调节。把控制棒由堆芯提出时，堆芯反应性增高；相反则反应性降低；全部插入时可使链式反应完全停止。

根据用途，反应堆可以分成以下几大类：

用来生产军用钚。它以天然铀作燃料，石墨或重水作慢化剂，普通水或气体作冷却剂。有的生产反应堆也用来从锂制造用于热核武器的氚。

用来推动船只、潜艇和发电，供热等。现有的动力反应堆主要是压水堆和沸水堆──统称为轻水堆。其他还有重水堆、气冷堆和快中子堆等。各种动力反应堆的基本情况见表。其中高温气冷堆和钠冷快中子堆属于先进的堆型。高温气冷堆可提供 750℃以上的高温作为化学工业和冶金工业的热源，当它采用铀233作燃料，钍232作转换材料时，可以做到或接近做到热中子增殖。钠冷快中子堆是已经在工业规模上验证了的增殖反应堆，它用钚作燃料，铀238作增殖材料，生成多于消耗量的钚。它的投入运行将大大提高天然铀的利用率，使得从已探明的铀资源中可获得的能量远高于全部化石燃料的能量。

用来进行核反应、射线屏蔽、材料试验、固体物理、辐射化学、生命科学等方面的研究，同时可以生产放射性同位素。这种反应堆主要有：

（1）用低浓缩铀作燃料，轻水作慢化剂的反应堆；

（2）用天然铀或低浓缩铀作燃料，重水作慢化剂的反应堆；

（3）用天然铀或低浓缩铀作燃料，石墨作慢化剂，空气冷却的反应堆；

（4）用高浓缩铀作燃料的高通量中子反应堆等。

除了上述利用重核裂变获取能量的裂变反应堆外，还有利用轻核聚变获取能量的核能装置──聚变反应堆。可以利用的聚变反应有氘－氘反应(D+D─→3He+n+3.25MeV)和氘－氚反应(D+T─→4He+n+17.6MeV)等。聚变反应产生的快中子在聚变反应器（聚变驱动器）外围包层中与锂 6反应并生成聚变核燃料氚：6Li+n─→T+4He。

聚变－裂变混合反应堆是聚变反应堆和裂变反应堆的组合。在这种混合堆中，聚变驱动器外围包层由锂、铀和钍组成。聚变产生的快中子在包层内使铀和钍裂变以倍增能量，同时又和锂、铀、钍发生反应，相应地生成氚、钚239、铀233等聚变核燃料和裂变核燃料。

1972年在非洲加蓬的奥克劳(Oklo)铀矿中发现了自然界曾经发生铀的链式裂变反应的遗迹，即史前时代的天然核反应堆，称为奥克劳现象。人们估计在109年以前，天然铀中铀235的丰度在3％左右。在富铀矿和水（慢化剂）存在的条件下，可以造成超临界条件和发生链式裂变反应。通过对铀矿的组成分析，估计在奥克劳铀矿中随着水的蒸发和补入，铀的链式裂变反应断续地进行了大约106年。

参考书目

G.R.Choppin and J. Rydberg，

Nuclear Chemistry，Theory and Applications， Pergamon， Oxford， 1980.

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