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核反应堆

自从发现放射性以来，人们就已知重核在自发衰变过程中会释放能量。然而，这种过程相当缓慢，人类无法对其进行影响（加速或减速），因此无法有效地用于大规模的能量生产。尽管如此，它非常适合为那些必须在偏远地区长时间自主工作且不需要太多能量的设备供电。为此，来自自发衰变的热量可以在放射性同位素热电发生器中转换为电能。这些发生器已被用于为太空探测器和一些由俄罗斯工程师建造的灯塔供电。使用核能的更有效方法是基于另一种类型的核衰变，接下来将介绍。

链式反应

开启核能时代的那项发现是在 1939 年由德国物理学家奥托·哈恩、莉泽·迈特纳、弗里茨·斯特拉斯曼和奥托·弗里施做出的。他们发现，铀原子核在吸收一个中子后，会分裂成两个碎片。这不是自发裂变，而是诱导裂变

${\begin{matrix}n+{}_{92}^{235}{\rm {U}}\longrightarrow {}_{54}^{140}{\rm {Xe}}+{}_{38}^{94}{\rm {Sr}}+n+n+185\,{\rm {MeV}}\end{matrix}}$

(15.4)

它释放了$\sim 185$ MeV 的能量，以及两个可以对周围的原子核造成类似反应的中子。事实上，在反应 (15.4) 中，我们得到的不是一个初始中子，而是两个中子，这一点至关重要。这使我们有可能实现所谓的链式反应，如图 15.4 所示。

图 15.4： 铀原子核的链式反应。

在这样的过程中，一个中子撞击一个重核，释放的两个中子又撞击另外两个重核，产生四个中子，依次类推。这个过程发展得非常快。在不到一秒钟的时间内，就会释放出大量的能量，这意味着爆炸。实际上，这就是所谓的原子弹的工作原理。

我们可以控制链式反应的发展吗？当然可以！这是在核反应堆中完成的，核反应堆为我们提供能量。它是如何做到的呢？

临界质量

首先，如果包含裂变核的材料块太小，一些中子可能会到达它的表面并逃逸，不会引起进一步的裂变。因此，对于每种类型的裂变材料，都存在一个可以维持爆炸性链式反应的最小样本质量。它被称为临界质量。例如，${}_{92}^{235}{\rm {U}}$的临界质量约为 50 公斤。如果质量低于临界值，核爆炸就不可能发生，但能量仍然会释放，样本会变热。质量越接近其临界值，释放的能量就越多，样本的辐射强度就越高。

可以通过改变样本的几何形状（使它的表面积更大）或在样本中放入一些能够吸收中子的材料（硼或镉）来降低样本的临界性（即它接近临界状态的程度）。另一方面，可以通过在样本周围放置中子反射器来提高临界性。这些反射器就像镜子一样，可以将逃逸的中子反射回样本中。因此，通过移动吸收材料和反射器，我们可以使样本接近临界状态。

核反应堆的工作原理

在典型的核反应堆中，燃料不是一块完整的，而是以几百根垂直的棒状形式，就像刷子一样。另一个包含中子吸收材料（控制棒）的棒状系统可以上下移动到燃料棒之间。当控制棒完全插入时，它们会吸收大量的中子，使反应堆停止运行。为了启动反应堆，操作员会逐渐向上移动控制棒。在紧急情况下，控制棒会自动下降。

为了收集能量，水会流过反应堆堆芯。水会变得极其热，然后流到蒸汽发生器。在那里，热量会传递到二级回路中的水，二级回路中的水会变成蒸汽，用于反应堆外壳之外旋转涡轮机，从而发电。

南非的核能

到 2004 年，南非只有一座商业核反应堆为国家电网供电。它位于开普敦以北 30 公里的科伯格。佩林达巴也运营着一座小型研究堆，作为核武器计划的一部分，但后来被拆除了。

科伯格核电站是一座铀压水堆 (PWR)。在这种反应堆中，一次冷却剂回路加压，以防止水沸腾，并使用称为蒸汽发生器的热交换器将热量传递到允许沸腾以产生蒸汽的二次冷却剂。为了尽可能地去除热量，一次回路中的水温被允许升高到约 $300^{\circ }$C，这需要 150 个大气压的压力来防止水沸腾。

科伯格核电站拥有南半球最大的汽轮发电机组，发电量为 1800 兆瓦。科伯格的建设始于 1976 年，其两个机组分别于 1984 年和 1985 年投入运行。自那时起，该电站一直处于基本连续运行状态，没有发生过重大事故。

运营该电站的埃斯库姆公司可能是当前的科技领先者。它正在开发一种新型核反应堆，即模块化球床反应堆 (PBMR)。与传统的核反应堆不同，这种新型反应堆的燃料并非以燃料棒的形式组装。铀、钍或钚燃料以氧化物（陶瓷形式）的形式包含在由热解石墨制成的球形球体中。这些球体大小如同网球，被放置在一个容器或罐中。一种惰性气体，如氦气、氮气或二氧化碳，在燃料球体之间的空间中循环。这将热量从反应堆中带走。

理想情况下，加热后的气体直接通过涡轮机运行。但是，由于来自一次冷却剂的气体可能因反应堆中的中子而变得具有放射性，因此通常将其送到热交换器，在那里它加热另一种气体或蒸汽。

球床反应堆的主要优势在于，它们的设计可以实现固有安全。当球床反应堆变热时，燃料中原子更快的运动会增加中子被 ${}_{92}^{238}$U 同位素捕获的可能性，这种效应被称为多普勒增宽。这种同位素在捕获中子后不会分裂。这减少了可用于引起 ${}_{92}^{235}$U 裂变的中子数量，从而降低了反应堆的功率输出。这种天然的负反馈机制在没有任何操作人员干预的情况下，对燃料的温度设置了一个固有的上限。

反应堆由一种惰性的耐火气体冷却，因此不会像水反应堆那样发生蒸汽爆炸。

因此，球床反应堆即使所有辅助机械都发生故障，反应堆也不会破裂、熔化、爆炸或释放有害废物。它只会升高到设计的“怠速”温度并保持在该温度。在这种状态下，反应堆容器会散发出热量，但容器和燃料球体将保持完整且无损。机械可以维修，燃料可以取出。

球床反应堆相对于传统水反应堆的一大优势是，它们可以在更高的温度下运行。反应堆可以直接加热流体，用于低压燃气轮机。高温使系统能够从相同数量的热能中获得更多的机械能。

另一个优势是，不同燃料的燃料球体可以在相同的基本反应堆设计中使用（尽管可能不是同时使用）。支持者声称，某些类型的球床反应堆应该能够使用钍、钚和天然未浓缩铀，以及常用的浓缩铀。正在进行的项目之一是开发使用来自剩余或过期的核爆炸物的钚的球体和反应堆。

2003 年 6 月 25 日，南非共和国环境事务与旅游部批准了埃斯库姆公司为科伯格核电站建造的 110 兆瓦球床模块化反应堆原型。埃斯库姆公司还获得了在佩林达巴建造球床燃料生产厂的批准。这种燃料的铀将从俄罗斯进口。如果试验成功，埃斯库姆公司表示将在南非海岸建造多达 10 座本地 PBMR 电站。埃斯库姆公司还希望每年出口多达 20 座 PBMR 电站。预计的出口收入为每年 80 亿兰特，可能雇用约 57000 人。