轉自原創 小核愛科普 小核拾光記 4月19日
01
什麼是裂變反應，
它又為什麼會放出能量嘞？
原子核是由核子憑藉核力結合在一起的，就像一堆磁鐵吸在一起，如果要把他們分開，就需要提供能量，這就是原子核的結合能。很自然的，組成原子核的核子越多，其結合能就越大。但是，原子核和磁鐵一樣，並不是磁鐵越多，它們就更牢固，而是平均下來每一個磁鐵的吸力越強，拆開它們就越難。即平均結合能越大，原子核中的核子結合就越牢固，原子核越穩定。原子核的結合能與核子數之比，稱做比結合能，也叫平均結合能。
水往低處流，原子核也應該向更穩定的方向發展，所以會有比結合能較低的原子核容易向比結合能較高的原子核進行轉換，由上圖可知，重元素核具有可被釋放的潛在能量。這就是為什麼我們通常使用鈾作為燃料，因為其比結合能較低，容易發生核子之間的分離，即裂變反應。就是一個變成倆。
既然重金屬原子核的裂變能夠帶來能量，那裂變具體能夠帶來多少能量呢？
早在100多年前，偉大的物理學家愛因斯坦就已經指出，質量和能量是物質的不同屬性，但在它們之間存在著明確的定量關係，他提出了著名的質能方程：E = mc2，一定的質量m對應一定的能量E，二者的定量關係由“光速的平方”——c2聯絡起來，根據質能方程的涵義，反應後粒子總的靜質量要減少，發生質量虧損，而虧損的這些質量就轉變成立了能量。這樣我們就得到一定數量的原子能了。
Ps：這些能量最終大多以熱能的形式表現出來。
02
裂變反應有了，能量有了，
那自持鏈式反應又是個什麼鬼？
根據上面的介紹，重元素核具有可以被釋放的潛在能量，而透過裂變反應可以實現這一過程。我們已經知道了，實現裂變反應需要一箇中子。這意味這，要想讓反應持續進行下去，就必須提供源源不斷的中子。哎你說巧不巧，當U-235核發生核裂變時，就可以產生一個或多箇中子。發生反應需要一箇中子，反應又產生多箇中子，還有這好事！這麼看來反應就可以持續進行下去了。這就是所謂的自持鏈式反應，可以簡單的理解為，只需要在開始時“點火”，反應就自己進行了，並且反應還越來越快。一變二，二變四，四變八……
但是，如果中子像上圖那樣不受控制地增加，最終會導致……
很壯觀的場面，但反應堆中可不能發生這種事情！因此，中子的產生率會被嚴格地控制。實際上，反應堆穩定執行時，由一箇中子引發的鏈式反應將平均產生一個可以繼續引發裂變的中子，其它中子則因為被共振吸收、被其它材料吸收、逃逸出反應堆等原因不能進一步引發裂變。反應過程就變成了一個接一個，就像這樣……
保持穩定的自持鏈式反應，中子的產生率和消耗率達到平衡，反應堆就可以在一定的功率下源源不斷地產生核能，此時稱為反應堆臨界狀態，一般的壓水堆核電站就工作在臨界狀態下。這也是反應堆與原子彈最本質的不同，一個是乖巧聽話受控制，一個是放浪不羈愛自由。至於怎麼具體控制中子，請您接著往下看。
03
都是利用核裂變，憑什麼你
反應堆就是個乖寶寶？
加壓水冷卻反應堆是我們最常聽到的一種反應堆，也是目前世界上在執行的堆型中佔比最高的一種。壓水反應堆本體，長這個樣子。
看起來是不是很高階，很複雜。沒關係，讓我們來透過現象看本質。
在反應堆中，所有的核燃料都放在堆芯區域。在這個區域將發生核裂變反應。我們已經知道，裂變反應需要中子來引發。因此，為了控制反應堆的功率，我們只需要在反應堆中人為地放置一些能“吃掉”多餘中子的東西，它們就是用於控制反應堆的“功率調節和停堆系統”。圖中的控制棒就是該系統的一種重要組成部分。
控制棒的內部填充的是強烈的中子吸收材料——銀銦鎘合金。將打在它上面的中子全部都“吃”掉，使得被“吃”掉的中子不能繼續引發反應。從圖中我們可以看到，控制棒自上向下插入堆芯。如果我們想降功率，就需要插入地更深一些，因而可以吸收更多的中子；反之想要升功率就向上提棒。這樣反應堆就可以被很好地控制了。
另外，如果反應堆出現了緊急情況，這些控制棒還可以依靠自身的重力迅速下落，完全插入堆芯。這時，控制棒能在最短的時間內吃掉絕大多數的中子，因而能實現緊急停堆。
04
冷卻劑對反應堆說：
你負責生產能量，
把他們帶出來是我的任務
反應堆中無時無刻不發生著大量的核裂變反應，併產生大量的熱，必須及時地將這些熱量匯出，否則溫度將不斷升高，最終導致堆芯熔燬！簡言之，熱的受不了，原地融化了。再說了，不把熱量帶出來造它幹嘛用？
如何將這些熱量安全地從反應堆中帶出來呢？這就需要用到反應堆的熱量搬運工——冷卻劑。不同的反應堆所用的冷卻劑也不盡相同，以壓水反應堆為例，它利用水作為冷卻劑，將反應堆堆芯的熱量源源不斷帶出。這些水承受著極高的壓力：約150個大氣壓，即使在300℃的溫度下，也不會沸騰，這也是我們將其稱為“壓水堆”的原因。（所以，搬運工並不是那麼好當的！）
原來壓水堆就是個大熱水器！
當然光有水還不夠，得讓它迴圈、流動起來，這也就需要一臺超級強勁的水泵（專業名詞叫“主泵”），這臺泵有強勁呢？每小時可灌滿9個標準游泳池！
好了，現在反應堆中的熱量給了冷卻劑，那冷卻劑的熱量又該給誰呢？這些熱量將傳遞給蒸汽發生器，用於產生水蒸汽，其實也是個燒水的。這些蒸汽將被送入汽輪機，做功、發電，送入千家萬戶。這些部分就敬請期待小核後幾期內容吧！
05
來點新鮮貨！
現在我們知道了，所謂反應堆就可以簡單理解為一個不斷放熱的熱源。我們透過用控制棒對反應堆進行控制並且用冷卻劑進行熱量傳遞，把蘊含在核燃料中的能量以一定的功率源源不斷地釋放出來。在前面的介紹中我們知道了，最常見的壓水堆，就是一個大熱水器。
就像手機一樣，有2G、3G、4G、5G手機，每一代都有不同的廠家生產不同型號。同樣，聽起來“高精尖”的反應堆也是這樣，在科學家們的努力下，一代又一代反應堆被不斷髮展出來。這裡，就來給大家介紹一下，最為先進的反應堆堆型之一，具有“第4代特徵”的高溫氣體冷卻反應堆，簡稱——高溫氣冷堆。位於中國山東省榮成市的世界首座具有第四代核電特徵的核電站——石島灣核電站，馬上就要投入商用運行了！！！
常見的高溫氣冷堆有稜柱式反應堆和球床式反應堆。停停停！不說凡人話了是不？這我哪裡聽的懂！
您別急嘛，看看這兩個例子您就明白啦。所謂稜柱式高溫氣冷堆就可以把他想成一個大的蜂窩煤爐子，稜柱狀的核燃料就是一塊一塊的“蜂窩煤”，它們燃燒自己，為人類的進步而發熱。（嗚嗚嗚，好感動的樣子）
那麼球床式高溫氣冷堆呢？球床？燃料球？發熱？球？煤球？這玩意莫不就是一個大煤球爐子？
可以啊，答對了，它就是個大煤球爐子。一教就會，真聰明！來來來，快和我們一起搞反應堆吧。不吃虧，不上當，為國貢獻，心情好！
參考文獻
[1] 曹欣榮.核反應堆物理基礎[M]. 北京: 原子能出版社, 2011.
[2] Kugeler K, Zhang Z. Modular High-temperature Gas-cooled Reactor Power Plant[M]. Springer Berlin Heidelberg, 2018.
[3] 國核示範核電科普知識手冊
圖文 | 竇浩銘、張皓傑、劉禮勳、黃天翼、方浚麟
編輯 | 劉宇浩、竇浩銘
