【种花家务·物理】4-10-03原子反应堆『数理化自学丛书6677版』

【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。 

(资料图)

第十章原子核能

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】 

§10-3原子反应堆

【01】使链式反应能够有控制地进行的装置叫做原子反应堆，简称原子堆或反应堆。

1、反应堆几个主要的组成部分

(1)核燃料

【02】反应堆中能够发生裂变的物质叫做核燃料。一般不用纯净的铀235，而用浓缩铀（或者钚239、铀233）作反应堆中的核燃料，虽然浓缩铀中含有的铀235比天然铀中高得多，但是仍然含有一定量的铀238。铀238很容易吸收中子，尤其是能量为几十电子伏特的中子（但是能量低于几十电子伏特的中子被铀238吸收的可能性又开始减小）；而铀235吸收中子的机会总是随着中子能量的减小而增大的，当中子能量减小到 电子伏特的时候，被铀235吸收、从而引起裂变的机会要比被铀238吸收掉的机会大190倍，所以，要防止裂变时新生的中子全被铀238吸收掉，就必须很快地降低中子的速度，使它在没有全被铀238吸收以前，有的中子的能量已经减小到 电子伏特左右，这样就使得链式反应在用不纯净的铀235作裂变物质的情况下也能够进行。

(2)减速剂

【03】反应堆中用来降低中子速度的物质叫做减速剂。使中子减速一般是用碰撞的方法，中子每与原子核碰撞一次，就会失去一定的能量。中子的质量是很小的，被碰撞的原子核质量越小，它的速度就越容易被改变，中子就越容易把能量传递给它，这样，中子本身的速度也就减小得越快。例如，要使得能量为 百万电子伏特的快中子，减速为 电子伏特的慢中子，用不同质量的元素做减速剂时，所需要与中子碰撞的次数也就不同。具体的次数可见下表：

【04】减速剂质量要比较小，吸收中子的本领要比较小，并且密度要比较大，因为密度大就可以增加与中子碰撞的机会，所以一般都用液态或固态物质而不用气态物质做减速剂。象水（含氢）、重水（含氘）【重水的分子是由两个氘(₁H²)原子和一个氧原子组成的，因为重水吸收中子的本领比水小得多，所以重水做减速剂比水好】、液态金属钠等是液态的减速剂，氧化铍（含铍）、石墨（含碳）就是固态的减速剂。

(3)控制棒

【05】控制棒是用来控制链式反应速度和功率大小的装置。一般是用能够强烈吸收中子的物质（镉或硼）来做的。由于链式反应进行得很快，大概在一秒钟内可以产生一千代中子，所以反应速度如果不加以控制，能量就会一下子释放出来，容易引起爆炸。控制棒是和自动控制系统联系着的，当反应速度太快的时候，控制棒就会向反应堆里伸进去一些，吸收中子的数目随着增多，反应的速度就会减慢；当反应的速度太慢的时候，控制棒就被拉出来一些，所吸收的中子数就越少，反应的速度就会自动加快。通过控制棒对中子再生率的控制，反应堆的功率的大小也就可以得到自动的调节。下表所列的数据具体说明了每秒钟所发生裂变的核子数跟功率大小的关系。

(4)载热剂

【06】载热剂是把反应堆里产生的巨大热量向外面输送的传热材料。链式反应释放出来的大量原子能，如果不输送出来就不能加以利用，同时反应堆也会由于温度过高而毁环。载热剂在封闭的循环系统中流动着，通过热交换把热量输送到动力装置中，同时又降低了反应堆的温度，所以载热剂又称做冷却剂。这种传热用的材料要求导热的本领大，吸收中子的本领小，沸点比较高（液体载热剂）。如：水、重水、液态金属钠等都是常用的载热剂（冷却剂）。

(5)保护层

【07】在进行链式反应的过程中，反应堆要放射出大量的 γ 射线和中子，为了防止这些射线对人的伤害，反应堆总是安放在很厚的水泥保护层里，这些射线在穿过保护层的时候，极大部分都被吸收了。

【08】根据所用的核燃料、减速剂和载热剂的不同，反应堆可以分成各种不同的类型，如石墨型、重水型等等。图10·5就是石墨型反应堆的构造示意图，用天然铀或浓缩铀条做燃料，石墨做减速剂，镉棒和铀条都插在石墨堆中，中子穿过石墨时，与碳核碰撞而很快地减速为慢中子，上下移动镉棒就可以控制链式反应的速度。反应过程中所产生的巨大热量，由液态金属钠输送到外面来，再把热量传给水，然后传给动力装置。石墨型反应堆的成本比重水型反应堆低。世界上第一座原子反应堆（1942年12月建成）就是石墨型的。

【09】图10·6是另一种类型一重水型反应堆的示意图。这种反应堆的结构基本上和石墨型相似，但是它的减速剂和载热剂都是用重水，这是和石墨型反应堆不同的地方。用重水作减速剂的效果比石墨好，所以要保持中子的再生率大于 1，反应堆的体积可以比石墨型反应堆小一些。1958年6月，我国建成的第一座反应堆就是重水型的，这座供实验用的原子反应堆功率为 7000 千瓦，最大功率可达 10,000 千瓦。

2、原子核反应堆的一般用途

(1)用来获取原子能

【10】反应堆里所产生的大量的热可以使热交换器中的水变成蒸汽，蒸汽通入汽轮发电机后就能发电。图10·7是原子能发电站的示意图，一个十万千瓦的原子能发电站，每天只要消耗几百克铀，而同样功率的火力发电站每天却要消耗几百吨煤！利用原子能发电可以节省大量的燃料和昂贵的运输费用，对于缺水、缺煤、交通不便的地区，原子能发电站就显示出更大的优越性来。原子能发电站的投资虽然比火力发电站略高一些，但是因为使用的燃料比较经济，生产出来的每度电的价格仍然要比火力发电站的低一些。随着科学技术的进步，原子能动力的价格是一定会越来越低的。

(2)用来产生大量的中子

【11】反应堆中所产生的大量中子，可以用来进行各种原子核物理的实验研究工作。

(3)用来生产核燃料

【12】反应堆中还可以生产一些象钚239和铀233之类的裂变物质。例如：天然铀或浓缩铀中的铀238受到中子的轰击以后，就可能生成铀239，再经过一系列的蜕变，就成为钚239，反应式如下：  。这些裂变物质可以作为核燃料，也可以用于原子爆炸。

(4)用来生产放射性同位素

【13】反应堆中大量的裂变产物（碎片），都是具有放射性的同位素（称做放射性同位素），反应堆中产生的大量中子，也可以用来制取放射性同位素，原子反应堆可以说是制造放射性同位素的工厂。放射性同位素的应用是很广泛的，下一章就要讨论这些内容。

例1. 1 克铀235在裂变后所释放出来的结合能，相当于多少公斤煤完全燃烧后所释放出来的化学能？（煤的燃烧值是 8000 千卡/千克，每一个铀核裂变时释放出来的结合能约为 200 百万电子伏特）

【解】

一个铀原子核裂变后所释放的结合能为：200×16⁶ 电子伏特＝200×10⁶××10⁻¹² 尔格＝2×10⁸××10⁻¹²×10⁻⁷ 焦耳；

1 克铀含有的铀原子个数＝个，1克铀在裂变后所放出的能量（结合能）＝×2×10⁸××10⁻¹²×10⁻⁷ 焦耳。

根据功热当量值，1 克铀在裂变后所放出的能量换算成相当的热量：Q＝××2×10⁸××10⁻¹²×10⁻⁷卡；

1 克煤完全燃烧后所放出的热量＝8000卡。

设 m 克煤完全燃烧后所放出的热量与 1 克铀裂变所放出的热量相当，则有 8000m＝××2×10⁸××10⁻¹²×10⁻⁷，∴  m ≈ 2,460,000克＝2460公斤。