裂变反应堆

定义

裂变反应堆是一种以核裂变链式反应为能量来源的装置，它可以引发并控制一系列自持的核裂变，使裂变在受控的近恒定水平上持续进行^[1]。它与核武器的区别在于链式反应的强度被刻意维持在稳定状态，设计上不具备像原子弹那样爆炸的条件^[1]。

反应堆内发生裂变的物质称为核燃料，又称裂变材料；能够用作核燃料的核素主要有铀-235、铀-233和钚-239，其中只有铀-235天然存在于铀矿中^[2]。一套裂变反应堆通常由核燃料元件、控制棒及其驱动机构、慢化剂、冷却剂和堆内结构部件组成的堆芯构成，堆芯与包容它的反应堆容器合称反应堆^[4]。

原理

裂变反应堆运行的基础是核裂变链式反应。中子撞击铀-235原子核后，原子核分裂为两块质量不等的裂变碎片，同时放出2至3个中子和大量能量，这些中子若能再引起新的裂变，反应便可延续下去^[3]。以中子为媒介，裂变核素的一部分质量转化为能量，这一过程即反应堆能量输出的来源^[2]。

反应堆运行状态由中子数量与损失之间的关系决定。产生与吸收、泄漏恰好相抵时处于临界状态，功率稳定；产生多于损失为超临界，功率上升；损失多于产生为次临界，功率下降^[5]。工程上常用有效增殖系数$k$描述这种平衡，$k=\text{产生}/(\text{吸收}+\text{泄漏})$，$k=1$即对应临界^[5]。启动时操作人员提升控制棒使堆芯暂时超临界，接近额定功率后再插回控制棒，使反应堆回到临界状态稳定运行^[1]。

单次裂变相互作用的时间量级约为1皮秒，远快于人工干预的速度，因而反应堆的控制依赖裂变产物稍后放出的缓发中子。缓发中子占堆内中子总数不足1%，但其存在使功率变化可以被监测和调节^[1]。控制棒通过吸收中子改变反应性，此外冷却剂密度变化引起的中子泄漏变化等负反馈机制也在安全设计中发挥作用^[1]。

多数热中子反应堆需要慢化剂把裂变放出的快中子减速到热能区，水、重水和石墨是常用材料；冷却剂则把堆芯热量输送到堆外^[4]。快中子反应堆不设中子慢化剂，直接利用快中子维持链式反应^[6]。

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A[核燃料中的裂变核素] --> B[中子引发裂变]

B --> C[裂变碎片与2~3个中子]

C --> D[释放热量]

C --> E[慢化剂减速中子]

E --> B

F[控制棒吸收中子] --> B

D --> G[冷却剂带出热量]

G --> H[蒸汽驱动汽轮机发电]

发展历程

1938年，奥托·哈恩与弗里茨·斯特拉斯曼发现铀核裂变现象，此后研究者开始探索如何利用裂变释放的能量^[2]。单个铀原子核裂变约放出200兆电子伏能量，约为一个碳原子氧化放能的5×10⁷倍^[2]。

1942年12月2日，恩里科·费米领导的研究团队在芝加哥大学建成世界上第一座人工裂变反应堆芝加哥一号堆，首次实现可控核裂变链式反应；该堆以天然铀为燃料、石墨为慢化剂^[4][7]。早期反应堆主要用于军事目的，包括生产钚-239和作为核潜艇动力^[2]。

1954年6月27日，苏联建成世界上第一座核电站，采用天然铀石墨慢化压力管式水冷反应堆，电功率5000千瓦；1961年7月美国建成第一座商用压水堆核电站^[4]。20世纪50年代中期起，各国大量建造研究性反应堆并开始建设发电用核电站，60年代中期以后核动力发展加快^[2]。

据国际原子能机构统计，截至2023年12月底，全球在运核电反应堆413座，总装机容量371.5吉瓦(电)，分布在31个成员国；另有59座反应堆在建，总容量61.1吉瓦(电)^[8]。同一统计显示，全球约67%的在运反应堆容量已运行超过30年，约29%超过40年^[9]。

应用

发电是裂变反应堆最主要的用途。反应堆产生的热加热冷却剂，冷却剂在蒸汽发生器中把水变成蒸汽，蒸汽推动汽轮机并带动发电机发电，其后的环节与化石燃料电厂相似^[3]。核电约占全球发电量的10%，约占全球低碳电力的四分之一^[10]。

按用途划分，裂变反应堆还包括用于舰船推进、发电和供热的动力堆，生产钚或氚的生产堆，以及用于材料和燃料辐照试验的试验堆^[4]。核潜艇和核动力航母即以反应堆为动力源，用于破冰船和货船的动力装置也曾投入使用^[11]。

研究性反应堆提供中子束流用于中子散射实验、中子活化分析、放射性同位素生产和单晶硅中子掺杂等^[7]。快中子增殖堆则通过在堆芯外围的再生区放置铀-238，把不易裂变的铀-238转化为可裂变的钚-239，使燃料的再生速度有可能高于消耗速度^[6]。

局限

裂变反应堆会产生放射性很强的裂变产物。一次裂变涉及数百种裂变碎片，每种都具有放射性并需经多次衰变才趋于稳定；反应堆停堆时，衰变热仍相当于裂变输出总能量的约7.5%，并随时间缓慢下降，因此停堆后的余热排出是安全运行的重要环节^[5]。

乏燃料中含有铀、钚等锕系元素和释热的裂变产物，被视为高放废物，需要在深地质设施中包容并与生物圈隔离很长时间^[12]。在一次性通过式燃料循环下，开采的铀中只有很小一部分能量被利用，而处置设施需容纳全部乏燃料，且要在数万年尺度上保持包容完整性，这在工程与公众接受度上都构成困难^[13]。

在热中子反应堆中，天然铀里占绝大多数的铀-238不易裂变，只有约占0.7%的铀-235能有效维持链式反应，因此需通过铀浓缩提高铀-235比例，天然铀反应堆则须使用石墨或重水作慢化剂，体积大、成本高^[14][3]。此外，现有反应堆机组普遍老化，延长运行寿命与新建容量是核电扩张面临的实际约束^[9]。

参见

• 核裂变 —— 裂变反应堆释放能量的基本核反应。

• 链式反应 —— 反应堆能够自持运行所依赖的中子倍增过程。

• 压水堆 —— 目前核电站中应用最广泛的反应堆堆型。

• 快中子增殖反应堆 —— 不设慢化剂并可将铀-238转化为钚-239的堆型。

• 国际原子能机构 —— 统计并发布全球核电反应堆数据的国际组织。

• 放射性废物 —— 反应堆运行和乏燃料处理产生、需长期隔离的物质。