三 . 核反应堆和核电站1. 热中子堆和快中子堆2. 热中子堆的基本组成3. 反应堆实现自持链式反应的临界条件4. 核电站5. 核电站作为一种新能源的特点6. 核裂变弹（原子弹）7. 加强弹、氢弹和中子弹8. 受控热核反应

1 热中子堆和快中子堆• 什么是热中子？ 20 °C 下， E0.025eV,v2200 米 / 秒，裂变中

子能量大部分在 1~2MeV 范围；中子通过和介质中原子核碰撞，逐步“慢化”，直到能量和介质中的热运动达到平衡，变成“热中子”。

• 热中子和物质原子核的作用“截面”比快中子的大。（所谓“截面”就是当单位面积上每秒钟有一个粒子打来时，引起反应的“有效面积”，即“概率”。）

原因： 1 ） 1/v 律； 2 ）共振效应。

• 主要由热（快）中子起作用的核反应堆，叫做热（快）中子堆。由于热中子堆所需的核燃料（铀或钚）较少，并且较易控制，所以现在核电站使用的反应堆大都是热中子堆。

• 快中子堆需要装进更多的核燃料，但可利用来增殖钚，加深核燃料的利用率。原子弹。

2 热中子堆的基本组成• 热中子堆中释放能量的核芯部分称为“堆芯”；

整个堆芯（连同周围的“反射层”）密封在“压力容器”中；容器外是“屏蔽层”和“安全壳”。

• 堆芯中装有： 1 ）核燃料：低浓缩铀， 235U 占 3% 左右（天然

铀中， 235U 仅占约 0.7%, 其余 ~99.3% 是不能由热中子引起裂变的 238U ；但 238U 吸收中子变成 239U 后，经过两次衰衰衰衰衰衰衰衰衰衰 Pu ）。

2 ）慢化剂：为使裂变中子慢化成热中子，需要用质子数小的物质（如水，重水，石墨等）组成慢化剂；因为中子与质量越小的核相碰，损失的动能越大，因而慢化的效果越好。随着所使用的慢化剂，反应堆可分为水堆、重水堆、石墨堆等类型。

3 ）冷却剂：水、重水或氦。4 ）结构材料5 ）调节控制系统（ Cd ， B ）

压水堆核电站示意图

3 反应堆实现自持链式反应的临界条件设：1 ） 235U, 每吸收 1 个中子所放出裂变中子的平

均数；2 ） P= 中子不从反应堆中泄露出去的概率；3 ） q= 反应堆中中子被 235U 吸收而不被其他物质

吸收的概率 = 中子利用效率；• 反应堆尺寸越大， P 越大（越接近与 1 ），堆

中其它物质（特别是容易吸收中子的物质）越少， q 越大（越接近于 1 ）。

• 反应堆的有效增殖系数： ke= Pq=k P ， k =q ，是无穷大系统（ P=1 ）中的增殖系数。

裂变系统）(

4 ）临界条件： ke=1 ，链式反应平稳自持。• 次临界： ke<1 ，功率下降； 超临界： ke>1 ，功率上升。

5 ）临界状态、临界尺寸、临界质量 可证明：临界尺寸 L 为中子徙动长度 临界体积 临界质量

衰是堆中物质的平均密度。

6 ） 1942 年 12 月 2 日，在费米领导下，美国芝加哥大学建成了世界上第一座人工核反应堆。

1L

k

2 3 31

) (k L

2 3 31

) (k L

2 3 11 2

) (k

1L

世界第一座核反应堆（天然铀52吨、高纯石墨 1000多吨，总重 1400

吨）

4 核电站• 核电站的核心装置是提供核能的反应堆，堆中释

放的能量要利用载热流体（水、氦气、液态金属）通过第一回路带到热交换器，再通过热交换器，加热工作物质，由第二回路送到涡轮发电机。

• 1954 年，在库尔恰托夫的主持下，苏联建成了世界上第一座核电站——奥布灵斯克 5MW 石墨水冷堆核电站。从此人类进入了核电时代。这种类型的核电站目前只在原苏联和东欧少数国家使用。

• 1957 年，美国的希平港压水堆核电站投入运行，这种核电站安全性能较好，目前世界各国的核电站有 70% 以上属于这种类型。我国投入运行的秦山核电站、广东大亚湾核电站、在建的秦山二期、岭澳、田湾核电站也是。

秦山核电站

• 1960 年，美国的德累斯顿沸水堆核电站投入运行，它主要由沸水堆本体、蒸汽给水系统和其它辅助系统组成。目前这种类型的核电站所占比例仅次于压水堆核电站，我国目前没有这种类型的核电站。

• 1968 年，加拿大角坎杜堆核电站运行，它由重水堆本体、一次冷却回路、二次回路及其它辅助系统组成。目前，这种类型核电站所站比例排在第三位，我国在建的秦山三期核电站即属这种类型。

• 1974 年，法国建成了“凤凰”示范快堆核电站，它由快中子堆本体、一回路钠、二回路钠、三回路水及其它辅助系统组成。目前，这种类型核电站所占比例最小，它的最大特点是在运行中能够实现核燃料的增殖，我国将建一座实验快（中子）堆。

中国快堆在建设中