核反應爐 (轉貼)

瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）內的小型研究型核反應爐CROCUS的爐心核反應爐（英語：Nuclear Reactor）是一種啟動、

控制並維持核分裂或核融合鏈式反應的裝置。

相對於核武爆炸瞬間所發生的失控鏈式反應，在反應爐之中，核變的速率可以得到精確的控制，其能量能夠以較慢的速度向外釋放，供人們利用。

核反應爐有許多用途，當前最重要的用途是產生熱能，用以代替其他燃料加熱水，產生蒸汽發電或驅動航空母艦等設施運轉。

當前全部商業核反應爐都是基於核分裂的，其裂變產物可以生產核武器之中使用的鈽。

瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）內的小型研究型核反應爐CROCUS的爐心

工作原理

誘發裂變. 一個中子被U235吸收，形成一個處於激發態的U236，U236不穩定，裂變為兩個輕核，並放出2－3個中子。

反應爐的裂變反應原理和原子彈的原理一樣，都是鏈式反應。

但是在反應爐裡，核子反應速率較慢。和傳統的熱電站一樣，核電廠也是通過蒸氣機驅動發電機發電。

但是在核電廠裡，熱能是由核分裂的碎片的反衝能轉化而來的。

法國是應用核反應爐發電較為廣泛的國家之一。

隨著石油和煤炭資源日漸稀缺，核能發電開始受到重視。但是同時，處理核能發電產生的放射性廢物及高昂的建造成本成為核能發展的障礙，

而擔憂車諾比事件再次發生則是最主要的心理及社會障礙。

核分裂

當一個原子數較高的核子（例如U-235或Pu-239）吸收一個中子。

會形成一個激發態的核子，然後裂變為兩個或更多個輕核。釋放出動能，伽瑪射線和若干個中子，統稱為裂變產物。

其中有些中子可能被下一個重核吸收，引發下一個裂變反應，釋放出更多的中子，依此類推。

這個反應就是鏈式反應。 但是我們可以用一些對中子吸收截面較大的核素和慢化劑來控制鏈式反應，他們分別用來吸收中子和減速中子。

通過增加和降低反應速率來控制反應爐的輸出功率。

一般常用的慢化劑有輕水（即H2O）（世界上75％的反應爐用水做慢化劑），固體石墨（20％）和重水（即D2O）（5％）。

在一些實驗堆中，甲烷和Be也被用來做慢化劑。

熱能的產生

在反應爐裡，熱能主要有以下幾個來源：

反應碎片通過和周圍原子的碰撞，把自身的動能傳遞給周圍的原子。

裂變反應產生的伽瑪射線被反應爐吸收，轉化為熱能。

反應爐的一些材料在中子的照射下被活化，產生一些放射性的元素。這些元素的衰變能轉化為熱能。

這種衰變熱會在反應爐關閉後仍然存在一段時間。 1千克U235完全裂變得到的熱能等於3千噸煤燃燒所釋放的能量。

冷卻

在反應爐裡，一般用水做冷卻劑（輕水或重水），也有用氣體或融鹽的。冷卻劑通過泵浦在爐心裡循環流動，同時把通過裂變產生的熱傳遞出來。

一般的反應爐的冷卻系統和熱機是分開的，例如壓水堆。也有的反應爐，蒸氣是有反應爐直接加熱得到的，例如沸水堆。

反應爐控制

反應爐的輸出功率，或者說反應率，是通過控制爐心內的中子密度和能量來控制的。

控制棒由熱、中子強吸收材料做成。如果有很多的中子被控制棒吸收，就意味著就少一些中子引發鏈式反應。

因此，把控制棒插入爐心，將會減慢反應速率，降低輸出功率。相反，將控制棒抽出，鏈式反應的速率將會增加，輸出功率也會增加。

在一些反應爐裡，冷卻劑同時也起慢化的作用。慢化劑通過和快中子的碰撞，吸收中子的能量，是快中子能量降低，成為熱中子。

而熱中子引發核反應的截面更大些。因此慢化劑密度高，將會增加反應爐的功率輸出。

而溫度高，冷卻劑的密度會降低，慢化作用降低，反應速率下降。另一些反應爐裡，冷卻劑會吸收中子，起到控制棒的作用。

在這些反應爐裡，可以通過加熱冷卻劑來提高反應爐的功率。

反應爐都有自動和手動的系統來防止意外事件的發生，當出現意外事件時，將有大量的中子強吸收材料注入，使反應爐關閉。

發電

由鏈式反應釋放出的能量通過冷卻劑傳導出來，加熱水，產生蒸氣，推動發電機發電。

歷史人類歷史上公認的第一個核反應爐是由恩里科·費米於1942年在芝加哥大學負責設計建造的Chicago Pile-1；該核反應爐輸出功率僅為0.5W。

1972年，法國工人們在非洲加彭的奧克洛地區發現了，輸出達100kW的遠達20億年前天然形成的核子反應爐。

1954年，蘇聯建成了世界上第一座純民用的AM-1 Obninsk 原子能發電站，裝機容量為5百萬瓦。

1960年，美國製造8座輸出達2 MW的攜帶型核子反應爐Alco PM-2A供應該國陸軍在格陵蘭的Camp Century計畫使用。

分類核反應爐

有許多種不同的分類方法 按用途分類，可以分為：

動力核反應爐

研究核反應爐

生產核反應爐（快滋生反應器）

按照反應爐慢化劑和冷卻劑的不同，可以分為：

輕水堆（壓水反應爐、沸水反應爐）：輕水型反應爐使用相對分子質量為18的輕水作為慢化劑和冷卻劑。

重水堆：重水堆可按結構分為壓力容器式和壓力管式兩類。

兩者都使用重水做慢化劑，但前者只能用重水做冷卻劑後者卻可用重水、輕水、氣體等物質做冷卻劑。

石墨氣冷堆

石墨液冷堆

按照反應爐中中子的速度，可以分為：

熱中子堆

快中子堆

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B8%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%A0%86

輕水反應爐

加州Rancho Seco 輕水核 電廠(2004)輕水反應爐，是指使用普通水作為冷卻劑及慢化劑的核反應爐，是目前世界上核反應爐的主要堆型。

輕水反應爐分為兩類：壓水反應爐（PWR）與沸水反應爐（BWR）

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%BD%BB%E6%B0%B4%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%A0%86

壓水反應爐

壓水反應爐內爐壓水反應爐（Pressurized Water Reactor，縮寫為PWR）是美國貝蒂斯原子能實驗室（Bettis Atomic Power Laboratory）

開發成功的一種輕水核反應爐。

概要

目前全世界核電廠、核潛艇和核動力航空母艦等使用的反應爐中均以壓水堆為主，截至2000年底，全世界有258座運行中的反應爐，

佔總數的64.6%。中國目前已建成的秦山核電廠一二期工程、大亞灣核電廠、田灣核電廠、嶺澳核電廠均採用壓水反應爐。

到2014年預計中國將新建大連紅沿河核電廠、山東海陽核電廠、三門核電廠、福清核電廠、寧德核電廠、陽江核電廠。

壓水反應爐利用輕水（普通水H2O）作為冷卻劑和中子慢化劑。

其冷卻系統由兩個循環迴路組成。一迴路連接著爐心和二迴路中的蒸汽發生器，迴路內壓強保持在150個大氣壓左右，

在此壓強下可將冷卻水加熱至約343℃而不沸騰。

冷卻水在二迴路蒸汽發生器的傳熱管中將壓強約為70個大氣壓左右的二迴路水加熱至沸騰（溫度約260℃），形成的水蒸氣

（過濾掉混雜的液態水後）再通過二迴路送至汽輪機，推動渦輪發動機運轉。

在傳熱管中釋放了熱能的一迴路水以290℃左右的溫度迴流至爐心，完成一迴路循環。

從汽輪機流出的二迴路水經冷凝器凝結為液態水後，迴流至蒸汽發生器，完成二迴路循環。

反應爐爐心位於壓力殼內，由排列為方形的燃料組件組成。燃料一般是富集程度在2%∼4.4%的燒結二氧化鈾。

和沸水反應爐相比，壓水堆爐心體積更小，爐心的功率密度較大（大型壓水堆的爐心功率密度可達100千瓦/升），

壓水堆的發電效率約為33%；但由於爐心中的工作壓力和溫度都較沸水堆高，因此對反應爐材料性能的要求也較沸水堆更高。 

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8E%8B%E6%B0%B4%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%A0%86

沸水反應爐

日本建設中的沸水反應爐（濱岡核電廠）國土交通省國土航空攝影沸水反應爐（英語：boiling water reactor, BWR）是一種用來發電的輕水反應爐。

在壓水反應爐之後，沸水反應爐是第二常見的核能發電反應爐型式，在五十年代中期由愛德荷國家實驗室（Idaho National Laboratory）

與通用電氣公司共同研發成功。現在主要製造廠商是專門設計與建造這類反應爐的奇異日立核能（GE Hitachi Nuclear Energy）。

概述

沸水反應爐以除礦質水作為冷卻劑（coolant）和中子減速劑。反應爐爐心進行的核分裂會產生熱能，使得已冷卻的水沸騰，變為高壓蒸汽，

從而驅動渦輪機，然後通過發電機轉換為電能。離開渦輪機的蒸汽，經過冷凝器凝結為液態水（給水）後，迴流至反應爐爐心，完成一個循環。

在爐心裡，已冷卻的水保持在75個大氣壓，這會促使它在285℃左右沸騰。

稍加比較，在壓水反應爐爐心內，由於維持高壓強（大約158 個大氣壓），不會出現大量的沸騰。

但沸水反應爐構造簡單，且大大降低了反應爐的工作壓力和爐心溫度，因此顯著提高了反應爐的安全性，降低了造價。

但由於沸水堆的循環系統直接連接了爐心和渦輪機，因此可能造成渦輪機受到放射性污染，給設計和維修帶來麻煩。

 BWR構成要素燃料 : 低濃縮鈾        冷卻材・減速材 : 輕水

沸水式反應爐的沿革量產第一系列(BWR/1–BWR/6)

第一代 BWR: BWR/1 搭配 Mark I 圍阻體

第二代 BWR: BWR/2, BWR/3, 與部份 BWR/4，搭配 Mark I 圍阻體，其他 BWR/4, BWR/5，搭配 Mark II 圍阻體

第三代 BWR: BWR/6 搭配 Mark II 圍阻體

先進沸水反應爐 (ABWR)

簡化沸水反應爐 (SBWR)

經濟簡化沸水反應爐 (ESBWR)

經濟簡化沸水反應爐 (Economic Simplified Boiling Water Reactor, ESBWR) 是第3+代的核能反應爐設計，始於90年代後期，

GE工程師提出把簡化沸水反應爐特點的被動安全設計，與先進沸水反應爐設計結合，另加大功率到1600MWe (4500 MWth)的方案。

這個設計已送交美國核能管理委員會審核，並已到最後設計複審階段。 

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B2%B8%E6%B0%B4%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%A0%86

重水反應爐

重水反應爐簡稱「重水堆」或「HWP」（Heavy Water Reactors），是一類利用重水作為中子慢化劑的核反應爐。

最常見的重水反應爐是CANDU反應爐。

中子慢化劑

重水反應爐中利用的慢化劑——重水是一氧化二氘的俗稱，其化學式為D2O，可以使中子減速，且其熱中子吸收截面小，

使重水反應爐核燃料利用率高於輕水反應爐（使用後的燃料中鈾-235含量僅為0.13％），因而成為一種優良中子慢化劑。

核反應爐中的核燃料（如鈾、鈽等）產生的中子必須用慢化劑減速，才能使這些中子參與更多其他原子核的裂變。

副產物

重水反應爐產生的副產物（如鈽、氚等）比輕水反應爐產生的更多，

這些副產物可以用於製造如裂變式原子彈、聚變式原子彈、中子彈以及初級熱核武器。

優勢

雖然普通的輕水在一些反應爐（如輕水反應爐）中也可以作為中子慢化劑 ，但由於輕水能吸收中子使反應爐中中子濃度降低，

所以輕水反應爐中的核燃料需要更高程度地濃縮以達到臨界質量，才能為持續反應提供保證。

所以相對於輕水反應爐，重水反應爐對核燃料中有效放射性同位素濃度要求極低，可省去絕大部分提純中使用的同位素分離工序，

且其乏燃料不必進行後處理。

可能的危害

重水反應爐的一些反對者認為正因為這類反應爐可用低濃縮鈾甚至未濃縮鈾作為核燃料，所以建立基於這類反應爐的核電廠會增加核擴散的風險：

當某個國家掌握重水反應爐技術後，其只需天然鈾就可以運行核電廠，並通過核反應產生可用於製造核武器的危險放射性副產物，

因此，這些國家便可繞過國際機構對濃縮鈾的監管而發展核武器。 

印度曾從一個稱為「CIRUS」的研究用重水反應爐提取出鈽元素，並用於其首次核試驗（「笑佛核試驗」）。

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8D%E6%B0%B4%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%A0%86