核反应堆与高中物理，本文主要内容关键词为：核反应堆论文,高中物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
相对煤、石油、天然气等常规能源，核电站以其消耗“燃料”少、对环境污染小及储量丰富等优点，已被许多国家所采用，核能发电所占世界总发电量的比例也逐年攀升。核电站的核心设施是核反应堆。核反应堆有哪些类型？它们与高中物理知识有哪些联系呢？
一、慢中子反应堆
是一种使铀235吸收慢中子后发生裂变而释放核能的反应堆。铀235核吸收中子后可以有30多种不同的分裂方式，平均每种方式均可释放出2～3个中子，同时释放约200 MeV的能量。释放的中子是快中子（能量介于0.5 MeV～10 MeV），不容易被铀235俘获。当中子能量E介于0～1 keV（慢中子）时，其德布罗意波的波长根据
可得，其最小波长约为
，远大于原子核直径的数量级
，波动性很明显，这时慢中子很容易被铀235俘获而发生裂变。因此，要发生链式反应，必需设法使快中子变慢。
核裂变会放出中子，而孤立的中子是不稳定的，会自发地进行β衰变而变为质子，半衰期为13min。这个半衰期对于维持链式反应已经足够了。中子在反应堆中运动，由于它不带电，不会受到库仑斥力，因此很容易进入到原子内部并与原子核发生碰撞。中子与核碰撞后有五种可能发生的作用：
1.弹性碰撞
碰撞前后原子核均处于基态，中子与原子核的动量、动能均守恒。
2.非弹性碰撞
碰撞前后动量守恒，而中子的一部分动能转移给原子核，使原子核由基态向激发态跃迁。处于激发态的原子核不稳定，很快又跃迂回基态，同时释放γ光子。这种碰撞只有在中子具有很高能量（几兆电子伏以上）并且散射核较重（核子数较大）时才有较大的发生几率。在核反应堆中，中子与原子核的碰撞绝大多数是弹性碰撞。
3.辐射俘获
反应方程式为：
（“*”表示该原子核处于不稳定的激发态）。
这种核反应最大的用途就是制造放射性同位素。将可以制造成放射性同位素的材料制成所需要的形状放入反应堆中进行中子照射，一定时间后便可以得到所需的放射性同位素。
4.原子核转变
原子核转变有两个反应方程式：
这种反应一般出现在轻核（核子数较小）元素的原子中。由于这两种核反应产生的质子、a粒子以及反冲核均有较强的电离作用，人们就可以利用这种特性来探测不能使气体电离的中子的存在及其强度（中子探测器）。另外，我们知道，半导体材料——单晶硅，它的导电性能很差，但经过掺杂后其导电性能将大大加强，可以制造二极管、三极管等各种半导体电子元件。单晶硅的掺杂也是在核反应堆中进行的。单晶硅被中子照射后将发生核反应，部分硅原子核转变为其他元素的原子核，这就完成了对硅材料的掺杂，而且掺得非常均匀，效果很好。
5.核裂变反应
核裂变反应是我们应用核能的理论基础。（核反应方程略）。
综合以上五种情况，在核反应堆中，裂变出的中子与原子核碰撞时大多数为弹性碰撞。根据动量和动能守恒，设中子质量为m，速度为v，碰撞核的质量为M，速度为零，则发生弹性正碰时中子的速度改变量最大，末速度变为
。如果发生的是弹性斜碰，则中子的速度改变量介于零和最大值之间。因此，碰撞核与中子的质量越接近，碰撞前后中子的平均速度改变量越大，慢化效果就越好。由于氢原子核与中子的质量近似相等，所以用轻水做慢化剂的慢化效果最好。但又由于氢原子容易吸收中子而转变为氘核，有可能使链式反应无法继续，所以用轻水慢化时，核燃料必须使用浓缩铀。最好的慢化剂是重水，因为除了轻水外重水的慢化效果最好，并且重水不易吸收中子。但重水的价格昂贵，所以重水反应堆一般应用于实验和科研。我国第一座慢中子反应堆就是用重水作为慢化剂的。有的反应堆采用石墨慢化。石墨慢化的优点是材料比较便宜，容易组装，但它的慢化效果不如重水，多应用于大动力反应堆。这种反应堆在英国应用很广，前苏联第一个核电站的反应堆也是这种形式。
在核反应堆运行之初，需要用中子源启动链式反应。我们知道，1932年查德威克用a粒子轰击铍核发现了中子，其反应方程式为：
如果我们把能放射a粒子的物质，如镭或钋和铍混合起来，就成为了现在常用的中子源。中子源一般都放在反应区中工艺棒（里面装有核燃料）的旁边，由外面的装置控制。中子源只在第一次点火（开堆）时使用，在通常情况下（除了反应堆报废或发生故障）的停堆都不是完全停止核反应，只是核反应程度很小而已。
核反应会放出大量的热，使反应区的温度升高。为了保证安全利用核能，一般采用气体（氮气或氦气）、液体（轻水、重水、液态金属等）作为导热剂循环流动将热量传输出去。我国的慢中子反应堆一般采用轻水或重水作为导热剂。
二、快中子反应堆
关于快中子反应堆，可以参阅人教版高中《物理》第三册（必修加选修）第76面阅读材料“增殖反应堆”，它的重要意义在于利用慢中子堆中反应过的核废料，利用天然铀中占99.3%的铀238，使铀资源的利用率提高到60%～70%，并减少了核污染。
快中子反应堆利用的是快中子，因此不需要慢化剂。由于快中子速率大，核反应进行较快，因此温度升高很快。为了尽快把热量传出去，导热剂采用液态金属钠。液态金属钠以其导热性能好、沸点高、熔点低、对回路材料腐蚀性小等优点在快中子堆中被广泛应用。快中子增殖反应堆将是继慢中子反应堆后的第二代核电主体堆型。
三、聚变堆
它是一种利用氘核聚变释放核能的核反应堆，以其储量丰富、释放能量大、易于处理核废料等优点具有非常诱人的前景。但由于其反应后很难控制，目前还无法投入运行。聚变堆将是核能发电的第三代堆型。
四、核辐射的防护
对于慢中子反应堆，从里到外依次有石墨反射层（主要用于反射中子）、防护水箱层、砂层、重混凝土层（防护各种射线）。对于快中子反应堆，反应区往外依次有反射层、中子防护层和混凝土层。核反应堆最关键的就是安全问题，即防止核辐射。核辐射的防护是比较复杂的。若有兴趣，可以查阅相关资料。