【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來(lái)自學(xué)。不過(guò)這套叢書卻很適合像我這樣已接受過(guò)基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語(yǔ)】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開(kāi)版，改開(kāi)版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過(guò)我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語(yǔ)和計(jì)算模式的來(lái)由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開(kāi)版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒(méi)在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。?

第十章原子核能

【山話||? 本系列專欄中的力單位達(dá)因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳；電荷的單位靜庫(kù)（1庫(kù)倫=3×10?靜庫(kù)）；電勢(shì)的單位靜伏等于300伏特。另外這套老教材中力的單位常用公斤、克等，但如今是不允許的，力是不能使用質(zhì)量單位的?！?

§10-3原子反應(yīng)堆

【01】使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠有控制地進(jìn)行的裝置叫做原子反應(yīng)堆，簡(jiǎn)稱原子堆或反應(yīng)堆。

1、反應(yīng)堆幾個(gè)主要的組成部分

(1)核燃料

【02】反應(yīng)堆中能夠發(fā)生裂變的物質(zhì)叫做核燃料。一般不用純凈的鈾235，而用濃縮鈾（或者钚239、鈾233）作反應(yīng)堆中的核燃料，雖然濃縮鈾中含有的鈾235比天然鈾中高得多，但是仍然含有一定量的鈾238。鈾238很容易吸收中子，尤其是能量為幾十電子伏特的中子（但是能量低于幾十電子伏特的中子被鈾238吸收的可能性又開(kāi)始減小）；而鈾235吸收中子的機(jī)會(huì)總是隨著中子能量的減小而增大的，當(dāng)中子能量減小到 0.025 電子伏特的時(shí)候，被鈾235吸收、從而引起裂變的機(jī)會(huì)要比被鈾238吸收掉的機(jī)會(huì)大190倍，所以，要防止裂變時(shí)新生的中子全被鈾238吸收掉，就必須很快地降低中子的速度，使它在沒(méi)有全被鈾238吸收以前，有的中子的能量已經(jīng)減小到 0.025 電子伏特左右，這樣就使得鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在用不純凈的鈾235作裂變物質(zhì)的情況下也能夠進(jìn)行。

(2)減速劑

【03】反應(yīng)堆中用來(lái)降低中子速度的物質(zhì)叫做減速劑。使中子減速一般是用碰撞的方法，中子每與原子核碰撞一次，就會(huì)失去一定的能量。中子的質(zhì)量是很小的，被碰撞的原子核質(zhì)量越小，它的速度就越容易被改變，中子就越容易把能量傳遞給它，這樣，中子本身的速度也就減小得越快。例如，要使得能量為 1.75 百萬(wàn)電子伏特的快中子，減速為 0.025 電子伏特的慢中子，用不同質(zhì)量的元素做減速劑時(shí)，所需要與中子碰撞的次數(shù)也就不同。具體的次數(shù)可見(jiàn)下表：

【04】減速劑質(zhì)量要比較小，吸收中子的本領(lǐng)要比較小，并且密度要比較大，因?yàn)槊芏却缶涂梢栽黾优c中子碰撞的機(jī)會(huì)，所以一般都用液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)而不用氣態(tài)物質(zhì)做減速劑。象水（含氫）、重水（含氘）【重水的分子是由兩個(gè)氘(?H2)原子和一個(gè)氧原子組成的，因?yàn)橹厮罩凶拥谋绢I(lǐng)比水小得多，所以重水做減速劑比水好】、液態(tài)金屬鈉等是液態(tài)的減速劑，氧化鈹（含鈹）、石墨（含碳）就是固態(tài)的減速劑。

(3)控制棒

【05】控制棒是用來(lái)控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度和功率大小的裝置。一般是用能夠強(qiáng)烈吸收中子的物質(zhì)（鎘或硼）來(lái)做的。由于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行得很快，大概在一秒鐘內(nèi)可以產(chǎn)生一千代中子，所以反應(yīng)速度如果不加以控制，能量就會(huì)一下子釋放出來(lái)，容易引起爆炸。控制棒是和自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)系著的，當(dāng)反應(yīng)速度太快的時(shí)候，控制棒就會(huì)向反應(yīng)堆里伸進(jìn)去一些，吸收中子的數(shù)目隨著增多，反應(yīng)的速度就會(huì)減慢；當(dāng)反應(yīng)的速度太慢的時(shí)候，控制棒就被拉出來(lái)一些，所吸收的中子數(shù)就越少，反應(yīng)的速度就會(huì)自動(dòng)加快。通過(guò)控制棒對(duì)中子再生率的控制，反應(yīng)堆的功率的大小也就可以得到自動(dòng)的調(diào)節(jié)。下表所列的數(shù)據(jù)具體說(shuō)明了每秒鐘所發(fā)生裂變的核子數(shù)跟功率大小的關(guān)系。

(4)載熱劑

【06】載熱劑是把反應(yīng)堆里產(chǎn)生的巨大熱量向外面輸送的傳熱材料。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放出來(lái)的大量原子能，如果不輸送出來(lái)就不能加以利用，同時(shí)反應(yīng)堆也會(huì)由于溫度過(guò)高而毀環(huán)。載熱劑在封閉的循環(huán)系統(tǒng)中流動(dòng)著，通過(guò)熱交換把熱量輸送到動(dòng)力裝置中，同時(shí)又降低了反應(yīng)堆的溫度，所以載熱劑又稱做冷卻劑。這種傳熱用的材料要求導(dǎo)熱的本領(lǐng)大，吸收中子的本領(lǐng)小，沸點(diǎn)比較高（液體載熱劑）。如：水、重水、液態(tài)金屬鈉等都是常用的載熱劑（冷卻劑）。

(5)保護(hù)層

【07】在進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的過(guò)程中，反應(yīng)堆要放射出大量的 γ 射線和中子，為了防止這些射線對(duì)人的傷害，反應(yīng)堆總是安放在很厚的水泥保護(hù)層里，這些射線在穿過(guò)保護(hù)層的時(shí)候，極大部分都被吸收了。

【08】根據(jù)所用的核燃料、減速劑和載熱劑的不同，反應(yīng)堆可以分成各種不同的類型，如石墨型、重水型等等。圖10·5就是石墨型反應(yīng)堆的構(gòu)造示意圖，用天然鈾或濃縮鈾條做燃料，石墨做減速劑，鎘棒和鈾條都插在石墨堆中，中子穿過(guò)石墨時(shí)，與碳核碰撞而很快地減速為慢中子，上下移動(dòng)鎘棒就可以控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度。反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的巨大熱量，由液態(tài)金屬鈉輸送到外面來(lái)，再把熱量傳給水，然后傳給動(dòng)力裝置。石墨型反應(yīng)堆的成本比重水型反應(yīng)堆低。世界上第一座原子反應(yīng)堆（1942年12月建成）就是石墨型的。

【09】圖10·6是另一種類型一重水型反應(yīng)堆的示意圖。這種反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)基本上和石墨型相似，但是它的減速劑和載熱劑都是用重水，這是和石墨型反應(yīng)堆不同的地方。用重水作減速劑的效果比石墨好，所以要保持中子的再生率大于 1，反應(yīng)堆的體積可以比石墨型反應(yīng)堆小一些。1958年6月，我國(guó)建成的第一座反應(yīng)堆就是重水型的，這座供實(shí)驗(yàn)用的原子反應(yīng)堆功率為 7000 千瓦，最大功率可達(dá) 10,000 千瓦。

2、原子核反應(yīng)堆的一般用途

(1)用來(lái)獲取原子能

【10】反應(yīng)堆里所產(chǎn)生的大量的熱可以使熱交換器中的水變成蒸汽，蒸汽通入汽輪發(fā)電機(jī)后就能發(fā)電。圖10·7是原子能發(fā)電站的示意圖，一個(gè)十萬(wàn)千瓦的原子能發(fā)電站，每天只要消耗幾百克鈾，而同樣功率的火力發(fā)電站每天卻要消耗幾百噸煤！利用原子能發(fā)電可以節(jié)省大量的燃料和昂貴的運(yùn)輸費(fèi)用，對(duì)于缺水、缺煤、交通不便的地區(qū)，原子能發(fā)電站就顯示出更大的優(yōu)越性來(lái)。原子能發(fā)電站的投資雖然比火力發(fā)電站略高一些，但是因?yàn)槭褂玫娜剂媳容^經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)出來(lái)的每度電的價(jià)格仍然要比火力發(fā)電站的低一些。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，原子能動(dòng)力的價(jià)格是一定會(huì)越來(lái)越低的。

(2)用來(lái)產(chǎn)生大量的中子

【11】反應(yīng)堆中所產(chǎn)生的大量中子，可以用來(lái)進(jìn)行各種原子核物理的實(shí)驗(yàn)研究工作。

(3)用來(lái)生產(chǎn)核燃料

【12】反應(yīng)堆中還可以生產(chǎn)一些象钚239和鈾233之類的裂變物質(zhì)。例如：天然鈾或濃縮鈾中的鈾238受到中子的轟擊以后，就可能生成鈾239，再經(jīng)過(guò)一系列的蛻變，就成為钚239，反應(yīng)式如下：? 。這些裂變物質(zhì)可以作為核燃料，也可以用于原子爆炸。

(4)用來(lái)生產(chǎn)放射性同位素

【13】反應(yīng)堆中大量的裂變產(chǎn)物（碎片），都是具有放射性的同位素（稱做放射性同位素），反應(yīng)堆中產(chǎn)生的大量中子，也可以用來(lái)制取放射性同位素，原子反應(yīng)堆可以說(shuō)是制造放射性同位素的工廠。放射性同位素的應(yīng)用是很廣泛的，下一章就要討論這些內(nèi)容。

例1.?1 克鈾235在裂變后所釋放出來(lái)的結(jié)合能，相當(dāng)于多少公斤煤完全燃燒后所釋放出來(lái)的化學(xué)能？（煤的燃燒值是 8000 千卡/千克，每一個(gè)鈾核裂變時(shí)釋放出來(lái)的結(jié)合能約為 200 百萬(wàn)電子伏特）

【解】

????????一個(gè)鈾原子核裂變后所釋放的結(jié)合能為：200×16? 電子伏特＝200×10?×1.6×10?12 爾格＝2×10?×1.6×10?12×10?? 焦耳；

????????1 克鈾含有的鈾原子個(gè)數(shù)＝個(gè)，1克鈾在裂變后所放出的能量（結(jié)合能）＝×2×10?×1.6×10?12×10?? 焦耳。

????????根據(jù)功熱當(dāng)量值，1 克鈾在裂變后所放出的能量換算成相當(dāng)?shù)臒崃浚篞＝0.24××2×10?×1.6×10?12×10??卡；

????????1 克煤完全燃燒后所放出的熱量＝8000卡。

????????設(shè) m 克煤完全燃燒后所放出的熱量與 1 克鈾裂變所放出的熱量相當(dāng)，則有 8000m＝0.24××2×10?×1.6×10?12×10??，∴? m ≈ 2,460,000克＝2460公斤。