姓名：于川皓 學(xué)號(hào)：16140210089
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【嵌牛導(dǎo)讀】：核反應(yīng)堆[1]，又稱為原子能反應(yīng)堆或反應(yīng)堆躲舌，是能維持可控自持鏈?zhǔn)?a target="_blank" rel="nofollow">核裂變反應(yīng)擅威，以實(shí)現(xiàn)核能利用的裝置沙合。核反應(yīng)堆通過合理布置核燃料，使得在無需補(bǔ)加中子源的條件下能在其中發(fā)生自持鏈?zhǔn)?a target="_blank" rel="nofollow">核裂變過程怎静。嚴(yán)格來說拳球，反應(yīng)堆這一術(shù)語應(yīng)覆蓋裂變堆集畅、聚變堆、裂變聚變混合堆届谈，但一般情況下僅指裂變堆扰柠。
【嵌牛鼻子】：核反應(yīng)堆
【嵌牛提問】：核反應(yīng)堆技術(shù)的特點(diǎn)？有什么應(yīng)用疼约？
【嵌牛正文】：
核反應(yīng)堆
本詞條由“科普中國”百科科學(xué)詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目審核 卤档。
核反應(yīng)堆[1]，又稱為原子能反應(yīng)堆或反應(yīng)堆程剥，是能維持可控自持鏈?zhǔn)?a target="_blank" rel="nofollow">核裂變反應(yīng)劝枣，以實(shí)現(xiàn)核能利用的裝置。核反應(yīng)堆通過合理布置核燃料织鲸，使得在無需補(bǔ)加中子源的條件下能在其中發(fā)生自持鏈?zhǔn)?a target="_blank" rel="nofollow">核裂變過程舔腾。嚴(yán)格來說，反應(yīng)堆這一術(shù)語應(yīng)覆蓋裂變堆搂擦、聚變堆稳诚、裂變聚變混合堆，但一般情況下僅指裂變堆瀑踢。
人類第一臺(tái)核反應(yīng)堆由美國籍意大利著名物理學(xué)家恩利克·費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)的小組于1942年12月（曼哈頓計(jì)劃期間）在世界頂級(jí)學(xué)府芝加哥大學(xué)建成扳还，命名為芝加哥一號(hào)堆（Chicago Pile-1）[2]。該反應(yīng)堆是采用鈾裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)橱夭，開啟了人類原子能時(shí)代氨距，芝加哥大學(xué)也因此成為人類“原子能誕生地”。
中文名
核反應(yīng)堆
外文名
Nuclear Reactor
別????名
原子能反應(yīng)堆或反應(yīng)堆
原????理
可控自持鏈?zhǔn)?a target="_blank" rel="nofollow">核裂變反應(yīng)
主要構(gòu)成物質(zhì)
原子
領(lǐng)????域
核能
所屬學(xué)科
核化學(xué)
目錄
1歷史沿革
2理論研究
3原理
4類型
?慢化劑
?控制棒
?冷卻劑
?屏蔽層
?行波堆
歷史沿革
早在1929年棘劣，科克羅夫特就利用質(zhì)子成功地實(shí)現(xiàn)了原子核的變換俏让。但是，用質(zhì)子引起核反應(yīng)需要消耗非常多的能量，使質(zhì)子與目標(biāo)的原子核碰撞命中的機(jī)會(huì)也非常之少首昔。[1]
1938年寡喝，德國人奧托·哈恩和休特洛斯二人成功地使中子和鈾原子發(fā)生了碰撞。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有著非常重大的意義勒奇，它不僅使鈾原子簡單地發(fā)生了分裂拘荡，而且裂變后總的質(zhì)量減少，同時(shí)放出能量撬陵。尤其重要的是鈾原子裂變時(shí)珊皿，除裂變碎片之外還射出2至3個(gè)中子，這個(gè)中子又可以引起下一個(gè)鈾原子的裂變巨税，從而發(fā)生連鎖反應(yīng)蟋定。
1939年1月，用中子引起鈾原子核裂變的消息傳到費(fèi)米的耳朵里草添，當(dāng)時(shí)他已逃亡到美國哥倫比亞
人類第一座核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)者：費(fèi)米
大學(xué)驶兜，費(fèi)米不愧是個(gè)天才科學(xué)家，他一聽到這個(gè)消息远寸，馬上就直觀地設(shè)想了原子反應(yīng)堆的可能性抄淑，開始為它的實(shí)現(xiàn)而努力。費(fèi)米組織了一支研究隊(duì)伍驰后，對(duì)建立原子反應(yīng)堆問題進(jìn)行徹底的研究肆资。費(fèi)米與助手們一起，經(jīng)常通宵不眠地進(jìn)行理論計(jì)算灶芝，思考反應(yīng)堆的形狀設(shè)計(jì)郑原，
有時(shí)還要親自去解決石墨材料的采購問題。
1942年12月2日曼哈頓計(jì)劃期間夜涕，費(fèi)米的研究組人員全體集合在美國芝加哥大學(xué)Stagger Field 的一個(gè)巨大石墨型反應(yīng)堆前面犯犁。這時(shí)由費(fèi)米發(fā)出信號(hào)，緊接著從那座埋沒在石墨之間的7噸鈾燃料構(gòu)成的巨大反應(yīng)堆里女器，控制棒緩慢地被拔了出來酸役，隨著計(jì)數(shù)器發(fā)出了咔嚓咔嚓的響聲，到控制棒上升到一定程度驾胆，計(jì)數(shù)器的聲音響成了一片涣澡，這說明連鎖反應(yīng)開始了。這是人類第一次釋放并控制了原子能的時(shí)刻俏拱，這個(gè)反應(yīng)堆被命名為“芝加哥一號(hào)堆"（Chicago Pile-1）暑塑。
1954年前蘇聯(lián)建成世界上第一座原子能發(fā)電站利用濃縮鈾作燃料，采用石墨水冷堆锅必，電輸出功率為5000千瓦。1956年，英國也建成了原子能電站搞隐。原子能電站的發(fā)展并非一帆風(fēng)順驹愚，不少人對(duì)核電站的放射性污染問題感到憂慮和恐懼，因此出現(xiàn)了反核電運(yùn)動(dòng)劣纲。其實(shí)逢捺，在嚴(yán)格的科學(xué)管理之下，原子能是安全的能源癞季。原子能發(fā)電站周圍的放射性水平劫瞳，同天然本底的放射性水平實(shí)際并沒有多大差別。
1979年3月绷柒，美國三里島原子能發(fā)電站由于操作錯(cuò)誤和設(shè)備失靈志于，造成了原子能開發(fā)史上空前未有的嚴(yán)重事故。然而废睦，由于反應(yīng)堆的停堆系統(tǒng)伺绽、應(yīng)急冷卻系統(tǒng)和安全殼等安全措施發(fā)揮了作用，結(jié)果放射性外逸量微乎其微嗜湃，人和環(huán)境沒有受到什么影響奈应，充分說明現(xiàn)代科技的發(fā)展已能保證原子能的安全利用。
理論研究
1972年5月，法國一座核燃料處理廠的一名工人
鈾礦
注意到了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象贮懈。當(dāng)時(shí)他正對(duì)一塊鈾礦石進(jìn)行常規(guī)分析匀泊，這塊礦石采自一座看似普通的鈾礦。與所有的天然鈾礦一樣朵你，該礦石含有3種鈾同位素──換句話說各聘，其中的鈾元素以3種不同的形態(tài)存在，它們的原子量各不相同：含量最豐富的是鈾238抡医；最稀少的是鈾234躲因；而令人們垂涎三尺早敬，能夠維持核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(chain reaction)的同位素，則是鈾235大脉。在地球上幾乎所有的地方搞监，甚至在月球上或隕石中，鈾235同位素的原子數(shù)量在鈾元素總量中占據(jù)的比例始終都是0.720%镰矿。不過琐驴，在這些采自非洲加蓬的礦石樣品中，鈾235的含量僅有0.717%秤标！盡管差異如此細(xì)微绝淡，卻引起了法國科學(xué)家的警惕，這其中一定發(fā)生過某種怪事苍姜。進(jìn)一步的分析顯示牢酵，從該礦采來的一部分礦石中，鈾235嚴(yán)重缺斤短兩：大約有200千克不翼而飛——足夠制造6枚原子彈怖现。
黑田和夫認(rèn)為茁帽，自持裂變反應(yīng)能夠發(fā)生的第一個(gè)條件就是，鈾礦礦脈的大小必須超過誘發(fā)裂變的中子在礦石中穿行的平均距離屈嗤，也就是0.67米左右潘拨。這個(gè)條件可以保證，裂變的原子核釋放的中子在逃離礦脈之前饶号，就能被其他鈾原子核吸收铁追。
第二個(gè)必要條件是，鈾235必須足夠豐富茫船。今天琅束，即使是儲(chǔ)量最大、濃度最高的鈾礦礦脈也無法成為一座核反應(yīng)堆算谈，因?yàn)殁?35的濃度過低涩禀，甚至連1%都不到。不過這種同位素具有放射性然眼，它的衰變速率比鈾238快大約6倍艾船，因此在久遠(yuǎn)的過去，這種更容易衰變的同位素所占的比例肯定高得多高每。例如屿岂，20億年前奧克羅鈾礦脈形成的時(shí)候，鈾235所占的比例接近3%鲸匿，與當(dāng)前大多數(shù)核電站中使用的爷怀、人工提純的濃縮鈾燃料的濃度大致相當(dāng)。
第三個(gè)重要因素是带欢，必須存在某種中子“慢化劑”(moderator)运授，減慢鈾原子核裂變時(shí)釋放的中子的運(yùn)動(dòng)速度烤惊，從而使這些中子在誘使鈾原子核分裂時(shí)，更加得心應(yīng)手徒坡。最終撕氧，礦脈中不能出現(xiàn)大量的硼瘤缩、鋰或其他“毒素”喇完，這些元素會(huì)吸收中子，因此可以令任何核裂變反應(yīng)戛然而止剥啤。
最終锦溪，研究人員在奧克羅和鄰近的奧克羅班多地區(qū)的鈾礦中，確定了16個(gè)相互分離的區(qū)域——20億年前府怯，那里的真實(shí)環(huán)境刻诊，居然與黑田和夫描繪的大致情況驚人地相似。盡管這些區(qū)域早在幾十年前就被全部辨認(rèn)出來牺丙，但是遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)過程的種種細(xì)節(jié)则涯，直到才被我和同事徹底揭開。
氫元素提供證據(jù)
重元素分裂產(chǎn)生的氫元素提供了確鑿無疑的證據(jù)：奧克羅鈾礦在20億年前確實(shí)發(fā)生過自持核裂變反應(yīng)冲簿，而且持續(xù)時(shí)間長達(dá)數(shù)十萬年粟判。
奧克羅的鈾異常情況被發(fā)現(xiàn)之后不久，物理學(xué)家就確定峦剔，天然的裂變反應(yīng)導(dǎo)致了鈾235的損耗档礁。一個(gè)重原子核一分為二時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較輕的新元素吝沫。找到這些元素呻澜，就等于找到了核裂變確鑿無疑的證據(jù)。事實(shí)證明惨险，這些分裂產(chǎn)物的含量如此之高羹幸，因此除了核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以外，不可能存在其他任何解釋辫愉。這場鏈?zhǔn)椒磻?yīng)很像1942年恩里科·費(fèi)米(Enrico Fermi)及其同事所做的那場著名演示(當(dāng)時(shí)他們建成了世界上第一座可控原子核裂變鏈反應(yīng)堆)栅受，反應(yīng)全靠自己的力量維持運(yùn)轉(zhuǎn)，只是時(shí)間上提早了20億年一屋。
如此令人震驚的發(fā)現(xiàn)公布后不久窘疮，世界各地的物理學(xué)家便開始研究這些天然核反應(yīng)堆的證據(jù)，并在1975年加蓬首都利伯維爾的一次特別會(huì)議上冀墨，分享了他們關(guān)于“奧克羅現(xiàn)象”的研究成果闸衫。第二年，代表美國出席那次會(huì)議的喬治·A·考恩(George A. Cowan诽嘉，順便提及蔚出，他是美國著名的圣菲研究所的創(chuàng)建者之一弟翘，至今仍是該研究所的成員)為《科學(xué)美國人》撰寫了一篇文章(參見1976年7月號(hào)喬治·A·考恩所著《天然核裂變反應(yīng)堆》一文)，文中他講解了當(dāng)時(shí)的科學(xué)家對(duì)這些遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆運(yùn)行原理的猜測骄酗。
比如稀余，考恩描述了钚239的形成過程——數(shù)量更加豐富的鈾238捕獲了鈾235裂變釋放的一些中子，轉(zhuǎn)變?yōu)殁?39趋翻，然后再釋放出兩個(gè)電子睛琳，轉(zhuǎn)化成钚239。在奧克羅鈾礦中踏烙，曾經(jīng)產(chǎn)生過超過兩噸的钚239师骗。不過這種同位素后來幾乎全都消失了(主要是通過天然的放射性衰變，钚239的半衰期為2.4萬年)讨惩，一些钚自身也經(jīng)歷了裂變辟癌，它所特有的裂變產(chǎn)物證明了這一點(diǎn)。這些輕元素豐富的含量讓科學(xué)家推測荐捻，裂變反應(yīng)一定持續(xù)了幾十萬年之久黍少。根據(jù)鈾235消耗的數(shù)量，他們計(jì)算出了反應(yīng)堆釋放的總能量处面，大概相當(dāng)于1,500萬千瓦的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)一整年所消耗的能量厂置；再結(jié)合一些其他的證據(jù)，就能推算出反應(yīng)堆的平均輸出功率：不超過100千瓦鸳君，足夠維持幾十只烤箱的運(yùn)作农渊。
十幾座天然反應(yīng)堆自發(fā)工作，并維持著適度的功率輸出或颊，運(yùn)轉(zhuǎn)了大約幾十萬年之久砸紊，這確實(shí)令人驚嘆。為什么這些礦脈沒有發(fā)生爆炸囱挑，沒有在核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)啟動(dòng)后立即自我摧毀醉顽？是什么機(jī)制使它們擁有了必不可少的自我調(diào)節(jié)能力？這些反應(yīng)堆是穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)平挑，還是間歇式發(fā)作游添？自奧克羅現(xiàn)象最初發(fā)現(xiàn)以來，這些問題遲遲得不到解答通熄。實(shí)際上唆涝，最后一個(gè)問題困擾了人們長達(dá)30年之久，直到我和我在美國華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的同事檢測了一塊來自這個(gè)神秘非洲鈾礦的礦石之后唇辨，謎底才被逐漸揭開廊酣。
惰性氣體揭露謎底
在奧克羅反應(yīng)堆遺跡中，氙同位素的構(gòu)成比例出現(xiàn)異常赏枚。找出這種異常的根源亡驰，就能揭開遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆的運(yùn)作之謎晓猛。
奧克羅的一個(gè)反應(yīng)堆遺跡進(jìn)行了研究，重點(diǎn)集中在對(duì)氙氣的分析方面凡辱。氙是一種較重的惰性氣體(inert gas)戒职，可以被礦物封存數(shù)十億年之久。氙有9種穩(wěn)定同位素透乾，由不同的核反應(yīng)過程產(chǎn)生洪燥，含量各不相同。作為一種惰性氣體续徽，它很難與其他元素形成化學(xué)鍵蚓曼，因此很容易將它們提純亲澡，進(jìn)行同位素分析钦扭。氙的含量非常稀少，科學(xué)家可以用它來探測和追溯核反應(yīng)床绪，甚至用來研究那些發(fā)生于太陽系形成之前的客情、原始隕石之中的核反應(yīng)。
分析氙的同位素成分需要一臺(tái)質(zhì)譜儀(mass spectrometer)癞己，它可以根據(jù)原子量(atomic weight)的不同而分離出不同的原子膀斋。我有幸可以使用一臺(tái)極其精確的氙質(zhì)譜儀，那是我在華盛頓大學(xué)的同事查爾斯·M·霍恩貝格(Charles M. Hohenberg)制造的痹雅。不過在使用他的儀器之前仰担，我們必須先把氙氣從樣品中提取出來。通常绩社，科學(xué)家只須將寄主礦物加熱到它的熔點(diǎn)以上摔蓝，巖石就會(huì)失去晶體結(jié)構(gòu)，無法再保留內(nèi)部儲(chǔ)藏的氙氣愉耙。為了獲得更多關(guān)于這種氣體起源和封存過程的信息贮尉，我們采取了一種更加精巧的方法——激光萃取法(laser extraction)，它可以有針對(duì)性地從礦物樣品的個(gè)別顆粒中釋放出氙氣朴沿，而不會(huì)觸碰周圍其他的部分猜谚。
我們可以利用的唯一一塊奧克羅礦石碎塊僅有1毫米厚、4毫米寬赌渣，我們把這種技術(shù)應(yīng)用到碎塊上的許多微小斑點(diǎn)之上魏铅。當(dāng)然，我們首先需要決定將激光束聚焦到什么位置坚芜。在這方面墨技，我和霍恩貝格得到了同事奧爾加·普拉夫迪夫切娃(Olga Pravdivtseva)的鼎力相助，她為我們的樣本拍攝了一張?jiān)敱M的X射線照片德频，識(shí)別出了候選的礦物。每次萃取之后疾渴，我們都會(huì)將得到的氣體提純，然后把氙氣放入霍恩貝格的質(zhì)譜儀中屯仗，儀器會(huì)顯示出每一種同位素的原子數(shù)目搞坝。
氙氣出現(xiàn)的位置令我們大吃一驚，它并不像我們想象的那樣魁袜，大量分布在富含鈾元素的礦物顆粒之中桩撮，儲(chǔ)藏氙氣數(shù)量最多的竟然是根本不含鈾元素的磷酸鋁顆粒。非常明顯峰弹，在發(fā)現(xiàn)的所有天然礦物之中店量，這些顆粒中的氙濃度是最高的。第二個(gè)令人驚訝之處在于鞠呈，與通常由核反應(yīng)產(chǎn)生的氣體相比融师，萃取出來的氣體在同位素組成上有顯著的不同。核裂變一定會(huì)產(chǎn)生氙136和氙134蚁吝，但在奧克羅礦石中旱爆，這兩種同位素似乎缺失嚴(yán)重，而其他較輕的氙同位素含量則變化不大窘茁。
同位素構(gòu)成比例上的這種差異是如何產(chǎn)生的呢怀伦？化學(xué)反應(yīng)無法提供答案，因?yàn)樗型凰氐幕瘜W(xué)性質(zhì)都完全相同山林。那么核反應(yīng)房待，比如說中子俘獲過程(neutron capture)，能不能給出解釋呢驼抹？經(jīng)過仔細(xì)分析桑孩，我和同事們把這種可能性也排除了。我們還考慮過不同同位素的物理分選過程：較重的原子移動(dòng)速度比較輕的原子稍慢一些砂蔽，有時(shí)它們就會(huì)相互分離開來洼怔。鈾濃縮裝置就是利用這個(gè)過程來生產(chǎn)反應(yīng)堆燃料的，不過需要相當(dāng)高的技術(shù)水平才能建造出這樣的工業(yè)設(shè)備左驾。即使自然界能夠奇跡般地在微觀尺度上創(chuàng)造出類似的“裝置”镣隶，仍然無法解釋我們所研究的磷酸鋁顆粒中混合在一起的氙同位素比例。舉例來說诡右，如果確實(shí)發(fā)生過物理分選的話安岂，考慮到現(xiàn)有的氙132的含量，氙136(比氙132重4個(gè)原子質(zhì)量單位)的缺失帆吻，應(yīng)該是氙134(比氙132重2個(gè)原子質(zhì)量單位)的兩倍域那。但實(shí)際上，我們并沒有看到那樣的模式。
絞盡腦汁之后次员，我們終于想通了產(chǎn)生氙同位素構(gòu)成比例異常的原因败许。我們所測量的所有氙同位素都不是鈾裂變的直接產(chǎn)物。相反淑蔚，它們是放射性碘同位素衰變的產(chǎn)物市殷，碘則由放射性碲衰變而來，而碲又由別的元素衰變產(chǎn)生刹衫，這是一個(gè)著名的核反應(yīng)序列醋寝，最終的產(chǎn)物才是穩(wěn)定的氙氣。
我們的突破點(diǎn)在于带迟，我們意識(shí)到奧克羅樣品中不同的氙同位素產(chǎn)生于不同的時(shí)期音羞，它們所遵循的時(shí)間表由它們的母元素碘和再上一代的元素碲的半衰期所決定。某種特定的放射性前體(precursor仓犬，即一系列反應(yīng)過程的中間產(chǎn)物)存在的時(shí)間越長嗅绰，它們形成氙的過程就被拖延得越久。例如婶肩，在奧克羅的自持裂變反應(yīng)開始后办陷，氙136僅過了大約1分鐘就開始生成；一個(gè)小時(shí)后律歼，稍輕一些的穩(wěn)定同位素氙134出現(xiàn)；接下來啡专，在裂變開始的若干天后险毁，氙132和氙131登場亮相；最終们童，幾百萬年之后畔况，氙129才得以形成——此時(shí)，核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)早已停止很久了慧库。
如果奧克羅礦脈一直處于封閉狀態(tài)跷跪，那么在它的天然反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)期間積聚起來的氙氣，就會(huì)保持核裂變所產(chǎn)生的正常同位素比例齐板，并一直保存至今吵瞻。但是，科學(xué)家沒有理由認(rèn)為甘磨，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)是封閉的橡羞。實(shí)際上，有充分的原因讓人猜想济舆，它不是封閉的卿泽。奧克羅反應(yīng)堆可以通過某種方式自行調(diào)節(jié)核反應(yīng)，這個(gè)簡單的事實(shí)提供了間接的證據(jù)滋觉。最可能的調(diào)節(jié)機(jī)制與地下水的活動(dòng)有關(guān)：當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)签夭，水會(huì)被煮沸蒸發(fā)掉齐邦。水在核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中起到了中子慢化劑的作用，如果水不見了第租，核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就會(huì)暫時(shí)停止侄旬。只有當(dāng)溫度下降，足夠的地下水再次滲入之后煌妈，反應(yīng)區(qū)域才會(huì)繼續(xù)開始發(fā)生裂變儡羔。
這種關(guān)于奧克羅反應(yīng)堆如何運(yùn)轉(zhuǎn)的說法強(qiáng)調(diào)了兩個(gè)要點(diǎn)：第一，核反應(yīng)很可能以某種方式時(shí)斷時(shí)續(xù)地發(fā)生璧诵；第二汰蜘，必定有大量的水流過這些巖石——足夠沖洗掉一些氙的前體，比如可溶于水的碲和碘之宿。水的存在有助于解釋這樣一個(gè)問題：為什么大多數(shù)氙當(dāng)前留存于磷酸鋁顆粒中族操，而沒有出當(dāng)前富含鈾元素的礦物里——要知道，裂變反應(yīng)最初是在這里生成那些放射性前體的比被。氙氣不會(huì)簡單地從一組早已存在的礦物中遷移到另一組礦物里——在奧克羅反應(yīng)堆開始運(yùn)轉(zhuǎn)之前色难，磷酸鋁礦物很可能還不存在。實(shí)際上等缀，那些磷酸鋁顆良侠颍可能是就地形成的，一旦被核反應(yīng)加熱的水冷卻到300℃左右尺迂，磷酸鋁顆粒就會(huì)形成笤妙。
在奧克羅反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)的每個(gè)活躍期和隨后溫度仍然很高的一段時(shí)間里，大量的氙氣(包括形成速度相對(duì)較快的氙136和氙134)會(huì)被趕走噪裕。等到反應(yīng)堆冷卻時(shí)蹲盘，半衰期更長的氙前體(也就是最后會(huì)產(chǎn)生含量比較豐富的氙132、氙131和氙129的放射性前體)則會(huì)優(yōu)先與正在形成的磷酸鋁顆粒結(jié)合起來膳音。隨著更多的水回到反應(yīng)區(qū)域召衔，中子被適當(dāng)?shù)芈炎兎磻?yīng)再度恢復(fù)祭陷，使這種加熱和冷卻的循環(huán)周而復(fù)始地重復(fù)下去苍凛。由此產(chǎn)生的結(jié)果，就是我們所觀察到的颗胡、奇特的氙同位素構(gòu)成比例毫深。
什么力量能讓氙氣在磷酸鋁礦物中留存20億年之久呢？再進(jìn)一步毒姨，為什么在某次反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生的氙氣哑蔫，沒有在下一次運(yùn)轉(zhuǎn)期間被清除呢？對(duì)于這些問題，我們還沒有找到確切的答案闸迷。據(jù)推測嵌纲，氙可能被囚禁在磷酸鋁礦物的籠狀結(jié)構(gòu)中，這種結(jié)構(gòu)即使在很高的溫度下腥沽，也能夠容納籠中產(chǎn)生的氙氣逮走。盡管具體細(xì)節(jié)仍不清楚，但不管最終的答案如何今阳，有一點(diǎn)是明確無誤的：磷酸鋁俘獲氙氣的能力真是令人驚嘆师溅。
間歇式核反應(yīng)堆
遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆猶如今天的間歇泉，有著天然形成的自我調(diào)節(jié)機(jī)制盾舌。它們?cè)诤藦U料處置和基礎(chǔ)物理研究方面墓臭，給科學(xué)家們提供了全新的思路。
在搞清了觀測到的氙同位素在磷酸鋁中產(chǎn)生的基本過程之后妖谴，我和我的同事們?cè)噲D從數(shù)學(xué)上為這個(gè)過程建立一個(gè)模型窿锉。這個(gè)計(jì)算揭示了有關(guān)反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的更多信息，所有的氙同位素都提供了大致相同的答案膝舅。我們研究的那個(gè)奧克羅反應(yīng)堆每次“開啟”30分鐘嗡载，然后再“關(guān)閉”至少2.5小時(shí)。這樣的模式猶如我們所看到的一些間歇泉仍稀，先是緩慢地加熱洼滚，然后在一場壯觀的噴發(fā)中將積蓄的地下水統(tǒng)統(tǒng)蒸騰而出，接著再重新蓄水琳轿，開始新一輪循環(huán)判沟，日復(fù)一日、年復(fù)一年地持續(xù)下去崭篡。這種相似性支持了這樣的觀點(diǎn)：流經(jīng)奧克羅礦脈的地下水不僅充當(dāng)著中子慢化劑的角色，還不時(shí)會(huì)被蒸發(fā)殆盡吧秕，形成保護(hù)這些天然反應(yīng)堆不至于自我摧毀的調(diào)節(jié)機(jī)制琉闪。在這方面，這種調(diào)節(jié)機(jī)制十分有效砸彬，數(shù)十萬年間沒有發(fā)生一次熔毀或爆炸事件颠毙。
人們大概會(huì)設(shè)想，從事核電工業(yè)的工程師也許能在奧克羅學(xué)到一兩樣本事砂碉。他們確實(shí)能學(xué)到東西蛀蜜，不過不一定是有關(guān)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的，更重要的也許是處置核廢料的方法增蹭。畢竟滴某，奧克羅就像一個(gè)地質(zhì)儲(chǔ)藏室那樣運(yùn)轉(zhuǎn)了如此漫長的時(shí)間，這就是科學(xué)家要細(xì)致入微地進(jìn)行調(diào)查的原因，他們想知道裂變的各種產(chǎn)物如何從這些天然核反應(yīng)堆中遷移出來霎奢。他們還仔細(xì)檢查了另一處類似的遠(yuǎn)古核裂變區(qū)域户誓，這個(gè)地點(diǎn)是通過勘探鉆井發(fā)現(xiàn)的，位于大約35千米以外的一個(gè)叫作班哥貝(Bangombe)的地方幕侠。班哥貝反應(yīng)堆之所以特別引人注目帝美，是因?yàn)樗穆癫匚恢帽葕W克羅及奧克羅班多地區(qū)的露天鈾礦更淺，因此有更多的水流過那里晤硕〉刻叮總之，調(diào)查得出的結(jié)論令我們信心倍增：多種危險(xiǎn)的核廢料都能夠成功地被隔離于地下舞箍。
奧克羅還演示了一種方法舰褪，能夠儲(chǔ)存那些一度被認(rèn)為肯定會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染的核廢料。自從核能發(fā)電問世以來创译，核電站產(chǎn)生的大量放射性氙135抵知、氪85和其他惰性氣體，都被釋放到大氣之中软族。天然裂變反應(yīng)堆表明刷喜，磷酸鋁礦物擁有一種獨(dú)一無二的能力，能夠俘獲和儲(chǔ)存這些氣體廢料達(dá)幾十億年之久立砸，把這些廢氣封存在這種礦物之中也許是可行的掖疮。
奧克羅反應(yīng)堆還向科學(xué)家們透露了這樣的訊息：他們?cè)?jīng)認(rèn)定為基本物理常數(shù)的α(阿爾法，控制著諸如光速這樣的宇宙參數(shù))颗祝，可能曾發(fā)生過改變浊闪。過去30年來，發(fā)生在20億年前的奧克羅現(xiàn)象一直被用來駁斥α曾經(jīng)發(fā)生過改變的觀點(diǎn)螺戳。但是2005年搁宾，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的史蒂文·K·拉蒙諾(Steven K. Lamoreaux)和賈斯廷·R·托格森(Justin R. Torgerson)卻根據(jù)奧克羅現(xiàn)象推斷，這一“常數(shù)”確實(shí)發(fā)生了明顯改變(而且十分奇怪的是倔幼，他們得出的常數(shù)改變方向與其他人得出的結(jié)論相反)盖腿。對(duì)于拉蒙諾和托格森的計(jì)算來說，奧克羅運(yùn)轉(zhuǎn)過程的一些細(xì)節(jié)十分關(guān)鍵损同，從這個(gè)角度上來講翩腐，我和我的同事們所做的工作，也許有助于闡明這個(gè)復(fù)雜的問題膏燃。
加蓬的這些遠(yuǎn)古反應(yīng)堆是地球曾經(jīng)出現(xiàn)過的唯一天然反應(yīng)堆嗎茂卦？20億年前，自持裂變所需的條件并不十分罕見组哩，有朝一日等龙，我們或許能夠發(fā)現(xiàn)其他的天然反應(yīng)堆处渣。我想，一絲泄露天機(jī)的氙氣而咆，將給這項(xiàng)搜尋工作帶來極大的幫助霍比。
原理
核反應(yīng)堆原理
核反應(yīng)堆是核電站的心臟[1]，它的工作原理是這樣的：
原子由原子核與核外電子組成暴备。原子核由質(zhì)子與中子組成悠瞬。當(dāng)鈾235的原子核受到外來中子轟擊時(shí)，一個(gè)原子核會(huì)吸收一個(gè)中子分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核涯捻，同時(shí)放出2—3個(gè)中子浅妆。這裂變產(chǎn)生的中子又去轟擊另外的鈾235原子核，引起新的裂變障癌。如此持續(xù)進(jìn)行就是裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)凌外。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生大量熱能。用循環(huán)水(或其他物質(zhì))帶走熱量才能避免反應(yīng)堆因過熱燒毀涛浙。導(dǎo)出的熱量可以使水變成水蒸氣康辑，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。由此可知轿亮，核反應(yīng)堆最基本的組成是裂變?cè)雍?載熱體疮薇。但是只有這兩項(xiàng)是不能工作的。因?yàn)槲易ⅲ咚僦凶訒?huì)大量飛散按咒，這就需要使中子慢化增加與原子核碰撞的機(jī)會(huì)；核反應(yīng)堆要依人的意愿決定工作狀態(tài)但骨，這就要有控制設(shè)施励七；鈾及裂變產(chǎn)物都有強(qiáng)放射性，會(huì)對(duì)人造成傷害奔缠，因此必須有可靠的防護(hù)措施掠抬；核反應(yīng)堆發(fā)生事故時(shí)，要防止各種事故工況下輻射泄漏校哎，所以反應(yīng)堆還需要各種安全系統(tǒng)剿另。綜上所述，核反應(yīng)堆的合理結(jié)構(gòu)應(yīng)該是：核燃料+慢化劑+載熱體+控制設(shè)施+防護(hù)裝置+安全設(shè)施贬蛙。
還需要說明的是，鈾礦石不能直接做核燃料谚攒。鈾礦石要經(jīng)過精選阳准、碾碎、酸浸馏臭、濃縮等程序野蝇，制成有一定鈾含量讼稚、一定幾何形狀的鈾棒或者球狀燃料才能參與反應(yīng)堆工作。
類型
核反應(yīng)堆內(nèi)部
根據(jù)用途绕沈，核反應(yīng)堆可以分為以下幾種類型[4]
①將中子束用于實(shí)驗(yàn)或利用中子束的核反應(yīng)锐想，包括研究堆、材料實(shí)驗(yàn)等乍狐。
②生產(chǎn)放射性同位素的核反應(yīng)堆赠摇。
③生產(chǎn)核裂變物質(zhì)的核反應(yīng)堆，稱為生產(chǎn)堆浅蚪。
④提供取暖藕帜、海水淡化、化工等用的熱量的核反應(yīng)堆惜傲，比如多目的堆洽故。
⑤為發(fā)電而發(fā)生熱量的核反應(yīng)，稱為發(fā)電堆盗誊。
⑥用于推進(jìn)船舶时甚、飛機(jī)、火箭等到的核反應(yīng)堆哈踱，稱為動(dòng)力堆荒适。
另外，核反應(yīng)堆根據(jù)燃料類型分為天然鈾堆嚣鄙、濃縮鈾堆吻贿、釷堆；根據(jù)中子能量分為快中子堆和熱中子堆哑子；根據(jù)冷卻劑(載熱劑)材料分為水冷堆舅列、氣冷堆、有機(jī)液冷堆卧蜓、液態(tài)金屬冷堆帐要；根據(jù)慢化劑分 為石墨堆、水冷堆弥奸、有機(jī)堆榨惠、熔鹽堆、鈉冷堆盛霎；根據(jù)中子通量分為高通量堆和一般能量堆赠橙；根據(jù)熱工狀態(tài)分為沸騰堆、非沸騰堆愤炸、壓水堆期揪；根據(jù)運(yùn)行方式分為脈沖堆和穩(wěn)態(tài)堆，等等规个。核反應(yīng)堆概念上可有900多種設(shè)計(jì)凤薛，但現(xiàn)實(shí)上非常有限姓建。
按照歷史年代分類
前蘇聯(lián)于1954年建成了世界上第一座原子能發(fā)電站，掀開了人類和
核反應(yīng)堆透視圖
平利用原子能的新的一頁缤苫。英國和美國分別于1956年和1959年建成原子能發(fā)電站速兔。到2004.9.28，在世界上31個(gè)國家和地區(qū)活玲，有439座發(fā)電用原子能反應(yīng)堆在運(yùn)行涣狗，總?cè)萘繛?64.6百萬千瓦，約占世界發(fā)電總?cè)萘康?6%翼虫。其中屑柔，法國建成59座發(fā)電用原子能反應(yīng)堆，原子能發(fā)電量占其整個(gè)發(fā)電量的78%珍剑；日本建成54座掸宛，原子能發(fā)電量占其整個(gè)發(fā)電量的25%；美國建成104座招拙，原子能發(fā)電量占其整個(gè)發(fā)電量的20%唧瘾；俄羅斯建成29座，原子能發(fā)電量占其整個(gè)發(fā)電量的15%别凤。我國于1991年建成第一座原子能發(fā)電站饰序，包括這一座在內(nèi)，當(dāng)前投入運(yùn)行的有9座發(fā)電用原子能反應(yīng)堆规哪，總?cè)萘繛?60萬千瓦求豫。我國另有2座反應(yīng)堆在建設(shè)中。我國還為巴基斯坦建成一座原子能發(fā)電站诉稍。
第一代（GEN-I）核電站是早期的原型堆電站蝠嘉，即1950年至1960年前期開發(fā)的輕水堆（light water reactors,LWR）核電站，如美國的希平港(Shippingport)壓水堆（pressurized-water reactor,PWR）杯巨、德累斯頓(Dresden)沸水堆(boiling water reactor,BWR)以及英國的鎂諾克斯(Magnox)石墨氣冷堆等蚤告。
第二代（GEN-Ⅱ）核電站是1960年后期到1990年前期在第一代核電站基礎(chǔ)上開發(fā)建設(shè)的大型商用核電站，如LWR（PWR服爷，BWR）杜恰、加拿大坎度堆（CANDU）、蘇聯(lián)的壓水堆VVER/RBMK等仍源。到1998年為止心褐，世界上的大多數(shù)核電站都屬于第二代核電站。
第三代（GEN-Ⅲ）是指滿足更高的安全性指標(biāo)的先進(jìn)核電站笼踩，要求安全性指標(biāo)達(dá)到URD的要求檬寂。第三代核電站采用標(biāo)準(zhǔn)化、最佳化設(shè)計(jì)和安全性更高的非能動(dòng)安全系統(tǒng)戳表，如先進(jìn)的沸水堆（advanced boiling water reactors,ABWR）桶至、系統(tǒng)80+、AP600匾旭、歐洲壓水堆（European pressurized reactor,EPR）等镣屹。
第四代（GEN-Ⅳ）是待開發(fā)的安全性更高的核電站，其目標(biāo)是到2030年達(dá)到實(shí)用化的程度价涝，主要特征是經(jīng)濟(jì)性高（與天燃?xì)饣鹆Πl(fā)電站相當(dāng)）女蜈、安全性好、廢物產(chǎn)生量小色瘩，并能防止核擴(kuò)散伪窖。
2002年9月19日至20日在東京召開的GIF（第四代核能系統(tǒng)國際論壇Generation IV International Forum,GIF）會(huì)議上，與會(huì)的10個(gè)國家在94個(gè)概念堆的基礎(chǔ)上居兆，一致同意開發(fā)以下六種第四代核電站概念堆系統(tǒng)覆山。
按照冷卻方式分類
氣冷快堆
氣冷快堆（gas-cooled fast reactor,GFR）系統(tǒng)是快中子譜氦冷反應(yīng)堆，采用閉式燃料循環(huán)泥栖，燃料可選擇復(fù)合陶瓷燃料簇宽。它采用直接循環(huán)氦氣輪機(jī)發(fā)電，或采用其工藝熱進(jìn)行氫的熱化學(xué)生產(chǎn)吧享。通過綜合利用快中子譜與錒系元素的完全再循環(huán)魏割，GFR能將長壽命放射性廢物的產(chǎn)生量降到最低。此外钢颂，其快中子譜還能利用現(xiàn)有的裂變材料和可轉(zhuǎn)換材料（包括貧鈾）钞它。參考反應(yīng)堆是288兆瓦的氦冷系統(tǒng)，出口溫度為850℃殊鞭。
液態(tài)金屬冷卻快堆
鉛合金液態(tài)金屬冷卻快堆(lead-cooled fast reactor,LFR)系統(tǒng)是快中子譜鉛（鉛/鉍共晶）液態(tài)金屬冷卻堆遭垛，采用閉式燃料循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)可轉(zhuǎn)換鈾的有效轉(zhuǎn)化钱豁，并控制錒系元素耻卡。燃料是含有可轉(zhuǎn)換鈾和超鈾元素的金屬或氮化物。
LFR系統(tǒng)的特點(diǎn)是可在一系列電廠額定功率中進(jìn)行選擇牲尺，例如LFR系統(tǒng)可以是一個(gè)1200兆瓦的大型整體電廠卵酪，也可以選擇額定功率在300～400兆瓦的模塊系統(tǒng)與一個(gè)換料間隔很長（15～20年）的50～100兆瓦的組合。LFR是一個(gè)小型的工廠制造的交鑰匙電廠谤碳，可滿足市場上對(duì)小電網(wǎng)發(fā)電的需求溃卡。
液態(tài)鈉冷卻快堆（sodium-cooled fast reactor,SFR）系統(tǒng)是快中子譜鈉冷堆，它采用可有效控制錒系元素及可轉(zhuǎn)換鈾的轉(zhuǎn)化的閉式燃料循環(huán)蜒简。SFR系統(tǒng)主要用于管理高放射性廢棄物瘸羡，尤其在管理钚和其他錒系元素方面。該系統(tǒng)有兩個(gè)主要方案：中等規(guī)模核電站搓茬，即功率為150～500兆瓦犹赖，燃料用鈾-钚-次錒系元素-鋯合金队他；中到大規(guī)模核電站，即功率為500～1 500兆瓦峻村，使用鈾-钚氧化物燃料麸折。
該系統(tǒng)由于具有熱響應(yīng)時(shí)間長、冷卻劑沸騰的裕度大粘昨、一回路系統(tǒng)在接近大氣壓下運(yùn)行垢啼，并且該回路的放射性鈉與電廠的水和蒸汽之間有中間鈉系統(tǒng)等特點(diǎn)，因此安全性能好张肾。
熔鹽堆系
熔鹽反應(yīng)堆（molten salt reactor,MSR）系統(tǒng)是超熱中子譜堆芭析，燃料是鈉、鋯和氟化鈾的循環(huán)液體混合物吞瞪。熔鹽燃料流過堆芯石墨通道馁启，產(chǎn)生超熱中子譜。MSR系統(tǒng)的液體燃料不需要制造燃料元件尸饺，并允許添加钚這樣的錒系元素进统。錒系元素和大多數(shù)裂變產(chǎn)物在液態(tài)冷卻劑中會(huì)形成氟化物。熔融的氟鹽具有很好的傳熱特性浪听，可降低對(duì)壓力容器和管道的壓力螟碎。參考電站的功率水平為1000兆瓦，冷卻劑出口溫度700～800℃迹栓，熱效率高掉分。
冷堆系統(tǒng)
超高溫氣冷堆(very high temperature reactor,VHTR)系統(tǒng)是一次通過式鈾燃料循環(huán)的石墨慢化氦冷堆。該反應(yīng)堆堆芯可以是棱柱塊狀堆芯（如日本的高溫工程試驗(yàn)反應(yīng)器HTTR）克伊，也可以是球床堆芯（如中國的高溫氣冷試驗(yàn)堆HTR-10）酥郭。
VHTR（超高溫氣冷堆）系統(tǒng)提供熱量，堆芯出口溫度為1 000℃愿吹，可為石油化工或其他行業(yè)生產(chǎn)氫或工藝熱不从。該系統(tǒng)中也可加入發(fā)電設(shè)備，以滿足熱電聯(lián)供的需要犁跪。此外椿息，該系統(tǒng)在采用鈾/钚燃料循環(huán)，使廢物量最小化方面具有靈活性坷衍。參考堆采用600兆瓦堆芯寝优。
超臨界水冷堆
超臨界水冷堆（super-critical water-cooled reactor,SCWR）系統(tǒng)是高溫高壓水冷堆，在水的熱力學(xué)臨界點(diǎn)（374℃枫耳，22.1兆帕）以上運(yùn)行乏矾。超臨界水冷卻劑能使熱效率提高到輕水堆的約1.3倍。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是，冷卻劑在反應(yīng)堆中不改變狀態(tài)钻心，直接與能量轉(zhuǎn)換設(shè)備相連接凄硼，因此可大大簡化電廠配套設(shè)備。燃料為鈾氧化物扔役。堆芯設(shè)計(jì)有兩個(gè)方案帆喇，即熱中子譜和快中子譜。參考系統(tǒng)功率為1 700兆瓦亿胸，運(yùn)行壓力是25兆帕，反應(yīng)堆出口溫度為510～550℃预皇。
組成結(jié)構(gòu)
反應(yīng)堆的類型很多侈玄，但它主要由活性區(qū)，反射層吟温，外壓力殼和屏蔽層組成序仙。活性區(qū)又由核燃料鲁豪，慢化劑潘悼，冷卻劑和控制棒等組成。當(dāng)前用于原子能發(fā)電站的反應(yīng)堆中爬橡，壓水堆是最具競爭力的堆型（約占61%）治唤，沸水堆占一定比例（約占24%），重水堆用的較少（約占5%）糙申。壓水堆的主要特點(diǎn)是：
1）用價(jià)格低廉宾添、到處可以得到的普通水作慢化劑和冷卻劑，
2）為了使反應(yīng)堆內(nèi)溫度很高的冷卻水保持液態(tài)柜裸，反應(yīng)堆在高壓力（水壓約為15.5 MPa ）下運(yùn)行缕陕，所以叫壓水堆；
3）由于反應(yīng)堆內(nèi)的水處于液態(tài)疙挺，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組的蒸汽必須在反應(yīng)堆以外產(chǎn)生扛邑；這是借助于蒸汽發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的，來自反應(yīng)堆的冷卻水即一回路水流入蒸汽發(fā)生器傳熱管的一側(cè)铐然，將熱量傳給傳熱管另一側(cè)的二回路水蔬崩，使后者轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝ǘ芈氛羝麎毫?—7 MPa，蒸汽平均溫度為310℃锦爵，以大亞灣核電廠為例）舱殿；
4）由于用普通水作慢化劑和冷卻劑，熱中子吸收截面較大险掀，因此不可能用天然鈾作核燃料沪袭，必須使用濃縮鈾（鈾-235的含量為2—4%）作核燃料。沸水堆和壓水堆同屬于輕水堆，它和壓水堆一樣冈绊，也用普通水作慢化劑和冷卻劑侠鳄，不同的是在沸水堆內(nèi)產(chǎn)生蒸汽（壓力約為7 MPa），并直接進(jìn)入氣輪機(jī)發(fā)電死宣，無需蒸汽發(fā)生器伟恶，也沒有一回路與二回路之分，系統(tǒng)特別簡單毅该，工作壓力比壓水堆低博秫。然而，沸水堆的蒸汽帶有放射性眶掌，需采取屏蔽措施以防止放射性泄漏挡育。重水堆是用重水作慢化劑和冷卻劑，因?yàn)槠錈嶂凶游战孛孢h(yuǎn)小于普通水的熱中子吸收截面朴爬，所以可以用天然鈾作為重水堆的核燃料即寒。所謂熱中子，是指鈾-235原子核裂變時(shí)射出的快中子經(jīng)慢化后速度降為2200 m/s召噩、能量約為1/40 eV的中子母赵。熱中子引起鈾-235核裂變的可能性，比被鈾-238原子核俘獲的可能性大190倍具滴。這樣凹嘲，在以天然鈾為燃料的重水堆中，核裂變鏈鎖反應(yīng)可持續(xù)進(jìn)行下去抵蚊。由于重水慢化中子不如普通水有效施绎，因此重水堆的堆芯比輕水堆大得多，使得壓力容器制造變得困難贞绳。重水堆仍需配備蒸汽發(fā)生器谷醉，一回路的重水將熱量帶到蒸汽發(fā)生器，傳給二回路的普通水以產(chǎn)生蒸汽冈闭。重水堆的最大優(yōu)點(diǎn)是不用濃縮鈾而用天然鈾作核燃料俱尼，但是阻礙其發(fā)展的重要原因之一是重水很難得到，因?yàn)樵谔烊凰兄厮徽?/6500萎攒。
慢化劑
核燃料裂變反應(yīng)釋放的中子為快中子遇八，而在熱中子或中能中子反應(yīng)堆中要應(yīng)用慢化中子維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，
慢化劑
慢化劑就是用來將快中子能量減少耍休，使之慢化成為中子或中能中子的物質(zhì)[5]刃永。選擇慢化劑要考慮許多不同的要求。首先是核特性：即良好的慢化性能和盡可能低的中子吸收截面羊精；其次是價(jià)格斯够、機(jī)械特性和輻照敏感性。有時(shí)慢化劑兼作冷卻劑，即使不是读规，在設(shè)計(jì)中兩者也是緊密相關(guān)的抓督。應(yīng)用最多的固體慢化劑是石墨，其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的慢化性能和機(jī)械加工性能束亏，小的中子俘獲截面和價(jià)廉铃在。石墨是迄今發(fā)現(xiàn)的可以采用天然鈾為燃料的兩種慢化劑之一；另一種是重水碍遍。其他種類慢化劑則必須使用濃縮的核燃料定铜。從核特性看，重水是更好的慢化劑怕敬，并且因其是液體宿稀，可兼做冷卻劑，主要缺點(diǎn)是價(jià)格較貴赖捌，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需有嚴(yán)格的密封要求。輕水是應(yīng)用最廣泛的慢化劑矮烹，雖然它的慢化性能不如重水越庇，但價(jià)格便宜。重水和輕水有共同的缺點(diǎn)奉狈，即產(chǎn)生輻照分解,出現(xiàn)氫卤唉、氧的積累和復(fù)合。
控制棒
在反應(yīng)堆中起補(bǔ)償和調(diào)節(jié)中子反應(yīng)性以及緊急停堆的作用[6]仁期。制作控制棒的材料其熱中子吸收截面大图焰，而散射
控制棒
截面小收捣。好的控制棒材料（如鎘、銀、銦等）在吸收中子后產(chǎn)生的新同位素仍具有大的熱中子吸收截面向图，因而使用壽命很長。核電站常用的控制棒材料有硼鋼来吩、銀-銦-鎘合金等俐银。其中含硼材料因資源豐富、價(jià)格低理逊，應(yīng)用較廣橡伞，但它容易產(chǎn)生輻照脆化和尺寸變化（腫脹）。銀-銦-鎘合金熱中子吸收截面大晋被，是輕水堆的主要控制材料兑徘。壓水堆中采用棒束控制，控制材料制成棒狀羡洛，每個(gè)棒束由24根控制棒組成挂脑，均勻分布在17×17的燃料組件間。核電站通過專門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)控制棒插入燃料組件的深度，以控制反應(yīng)堆的反應(yīng)性最域，緊急情況下則利用控制棒停堆（這時(shí)谴分，控制棒材料大量吸收熱中子，使自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無法維持而中止）镀脂。
冷卻劑
由主循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)牺蹄，在一回路中循環(huán)[7]，從堆芯帶走熱量并傳給二回路中的工質(zhì)薄翅，使蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫高壓蒸
冷卻劑
汽沙兰，以驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。冷卻劑是唯一既在堆芯中工作又在堆外工作的一種反應(yīng)堆成分翘魄，這就要求冷卻劑必需在高溫和高中子通量場中工作是穩(wěn)定的鼎天。此外，大多數(shù)適合的流體以及它們含有的雜質(zhì)在中子輻照下將具有放射性暑竟，因此冷卻劑要用耐輻照的材料包容起來斋射，用具有良好射線阻擋能力的材料進(jìn)行屏蔽。理想的冷卻劑應(yīng)具有優(yōu)良慢化劑核特性但荤，有較大的傳熱系數(shù)和熱容量罗岖、抗氧化以及不會(huì)產(chǎn)生很高的放射性。液態(tài)鈉(主要用于快中子堆)和鈉鉀合金（主要用于空間動(dòng)力堆）具有大的熱容量和良好的傳熱性能腹躁。輕水在價(jià)格桑包、處理、抗氧化和活化方面都有優(yōu)點(diǎn)纺非，但是它的熱特性不好哑了。重水是好的冷卻劑和慢化劑，但價(jià)格昂貴烧颖。氣體冷卻劑（如二氧化碳弱左、氦）具有許多優(yōu)點(diǎn)，但要求比液體冷卻劑更高的循環(huán)泵功率倒信，系統(tǒng)密封性要求也較高科贬。有機(jī)冷卻劑較突出的優(yōu)點(diǎn)是在堆內(nèi)的激活活性較低，這是因?yàn)槿坑袡C(jī)冷卻劑的中子俘獲截面較低鳖悠，主要缺點(diǎn)是輻照分解率較大榜掌。應(yīng)用最普遍的壓水堆核電站用輕水作冷卻劑兼慢化劑。
屏蔽層
為防護(hù)中子乘综、γ射線和熱輻射憎账，必須在反應(yīng)堆和大多數(shù)輔助設(shè)備周圍設(shè)置屏蔽層。其設(shè)計(jì)要力求造價(jià)便宜并節(jié)省空間卡辰。對(duì)γ射線屏蔽胞皱，通常選擇鋼邪意、鉛、普通混凝土和重混凝土反砌。鋼的強(qiáng)度最好雾鬼，但價(jià)格較高；鉛的優(yōu)點(diǎn)是密度高宴树，因此鉛屏蔽厚度較胁卟恕；混凝土比金屬便宜酒贬，但密度較小又憨，因而屏蔽層厚度比其他的都大[3]。
來自反應(yīng)堆的γ射線強(qiáng)度很高锭吨，被屏蔽體吸收后會(huì)發(fā)熱蠢莺，因此緊靠反應(yīng)堆的γ射線屏蔽層中常設(shè)有冷卻水管。某些反應(yīng)堆堆芯和壓力殼之間設(shè)有熱屏蔽零如，以減少中子引起壓力殼的輻照損傷和射線引起壓力殼發(fā)熱躏将。
中子屏蔽需用有較大中子俘獲截面元素的材料，通常含硼考蕾，有時(shí)是濃縮的硼-10耸携。有些屏蔽材料俘獲中子后放射出γ射線，因此在中子屏蔽外要有一層γ射線屏蔽辕翰。通常設(shè)計(jì)最外層屏蔽時(shí)應(yīng)將輻射減到人類允許劑量水平以下，常稱為生物屏蔽狈谊。核電站反應(yīng)堆最外層屏蔽一般選用普通混凝土或重混凝土喜命。
行波堆
核電行波堆的名字借用了無線電技術(shù)的行波管，但是物理本質(zhì)截然不同河劝。行波管是利用電子槍發(fā)射的電子注在聚焦系統(tǒng)中給同向傳輸?shù)奈⒉▊鬟f能量壁榕，從而放大微波信號(hào)。而核電行波堆則是利用起始端少量高濃度鈾235裂變產(chǎn)生的快中子轟擊貧鈾（幾乎完全是鈾238）生成钚239赎瞎。钚239俘獲中子后裂變生成多達(dá)300種的各種中等質(zhì)量原子牌里，并平均產(chǎn)生2.5個(gè)中子和2億電子伏的能量。裂變能被液態(tài)金屬鈉或其他載熱介質(zhì)吸收用來發(fā)電务甥，新產(chǎn)生的中子則維持堆芯里的核反應(yīng)不斷向前行進(jìn)牡辽，直到將整個(gè)堆芯“燒”盡為止。行波堆因此得名[4]敞临。
主要特點(diǎn)
核能發(fā)電有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)——非常清潔态辛。與火電站相比，核電站從環(huán)保角度來講簡直就是做到了極致挺尿∽嗪冢火電站向大氣中釋放的放射性物質(zhì)比核電站還多炊邦，同時(shí)它還向大氣中釋放大量的碳、硫和其他元素熟史。
非常不幸的是馁害，核電站的運(yùn)行也存在一些嚴(yán)重的問題：
鈾的開采和提純并不是非常清潔的過程。
非正常運(yùn)行的核電站能夠帶來大問題蹂匹。切爾諾貝利災(zāi)難是最近的一個(gè)例子碘菜；2011年3月12日，地震導(dǎo)致日本福島縣第一和第二核電站發(fā)生核泄漏怒详。
核電站的乏燃料[8]在幾百年內(nèi)都是有毒的炉媒，并且到目前為止，世界上沒有能安全昆烁、永久地存儲(chǔ)它們的設(shè)施吊骤。
運(yùn)輸核燃料往返于核電站帶來了一些風(fēng)險(xiǎn)，不過迄今為止静尼，美國并沒有發(fā)生過這種事故白粉。
很大程度上，以上這些問題使得在美國建設(shè)新核電站的嘗試偏離了正常軌道鼠渺。因?yàn)樯鐣?huì)似乎普遍認(rèn)為建設(shè)核電站風(fēng)險(xiǎn)超過了回報(bào)鸭巴。
