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Chapter 9 核反应堆保健物理 §9.1 引言 在 1938 年发现的裂变现象为一种新的潜在能源提供了发展的基础；这个能 源比全世界化石燃料的储量还要大，核能的发展是十分迅速的。在恩里科·费米 的主持下于1942 年使位于芝加哥的某个改装的扁形网球场内的第一个反应堆开 始运行。后来，核能得到了迅速发展，在当前已经成为世界上大多数发达国家所 需能源的重要组成部分。核反应堆作为一种能源的优点，在某种程度上被一些特 殊的问题所抵消，其中包括： （1）操纵人员和维修人员的防护； （2 ）产生出来的大量放射性废物的安全处理、处置或储存； （3 ）在反应堆事故时可能释放出大量放射性，由此对公众造成损害的危险 度必须降低到某个可以接受的水平。以上问题没有哪一个是不可克服的，因此人 们通常认为，核能工业有着一个卓越的安全记录。 为了了解反应堆带来的危险，需要有核裂变和反应堆工艺的基本知识。 本章在讨论了核裂变过程和反应堆工艺之后，概述了与核反应堆运行有关的 放射性危险。 §9.2 裂变 §9.2.1 裂变过程 裂变是一个原子核分裂成两个近似相等的部分（称为裂变碎片）。已经发现 有一些重核，特别是铀和钍，能够以较低的速率进行自发裂变；其他一些元素则 需要附加一些能量才能裂变，例如用中子轰击才能发生裂变。我们把以后一种方 式发生裂变的材料叫可裂变材料。裂变过程中会释出能量，其形式主要是裂变碎 片的动能。这个能量很快转换为热能，并使燃料及周围材料的温度上升。天然 235 存在的材料之中只有同位素铀-235 （ U ）才是有意义的裂变材料，它只占天然 铀的0.7%，其余99.3%是铀-238 。 裂变的一个重要特征是裂变碎片极不稳定，以致于能放出中子，其中子数通 常是每次裂变有2 到4 个（图 10.1）。许多中子几乎是同时发射出来的，称为瞬 发中子。但是有一些中子则是在裂变以后若干秒，甚至于若干分钟才释放出来， 这称之为缓发中子。 在裂变过程放出中子的后果是，首先它使链式反应成为可能；其次在铀燃料 中的中子俘获反应会产生包括钚在内的超铀元素（见9.2.4 节）；第三，在核反应 堆装置的结构材料和其他材料中的中子俘获将会使这些材料成为放射性的（9.2.5 节）。 §9.2.2 链式反应和临界 裂变过程中产生的中子本身又能引起裂变，同时发射更多的中子，所以有可 能产生链式反应。实际上，一些中子会从系统中逸出，另一些则在非裂变反应中 被俘获。在一个反应堆中，仔细地从堆芯剔除高俘获截面的材料，即可减少因俘 获反应而损失的中子数。损失一些中子是不可避免的，因为燃料本身也能俘获中 子而不裂变。增大堆芯的尺寸，逃逸中子的分额就可减少到很低的水平，从而可 以引起链式反应。如果堆芯很小，中子就能很容易地逸出；而在大的堆芯中，中 子在可裂变材料中要飞行更远的距离，因此可能产生更多的裂变。减少中子漏失 的另一个方法是将一些轻材料做的反射层安装在堆芯周围，把逸出的中子反射回 堆芯里来。 现在研究一个裂变材料的。平均而言，在这个装置中每次裂变产生2.3 个中 子。如果因漏失或俘获平均失去1.3 个中子，则还有1 个中子可用来再产生裂变。 这就导致一种自持的链式反应，且其裂变率是常数。我们说这种系统是临界系 统，若每一次裂变平均损失1.31 个中子，意味着只有2.3-1.31=0.99 个中子可用 于裂变。这种系统是次临界系统，其裂变率将会减少。反之，如果每次裂变损失 1.29 个中子，则还余1.01 个中子，这叫超临界系统，其裂变率将增加。 所以，对于任何一种类型的反应堆，堆芯有一个最小的尺寸，若低于这个尺 寸，该系统就不能达到临界。另一方面，为了使链式反应成为可能，要求燃料有 某一个最小的质量，称为最小临界质量。例如一个核武器，原则上可以用两块裂 变材料制成，每一块都比临界质量的一半稍大一点。当把这两块迅速结合在一起， 使之达到超临界质量时，这个武器便爆炸。当两块合并时，裂变率（因而能量释 放率）在一瞬间上升到巨大的数值。幸而在实践中要达到这一点是较为困难的。 在一些工厂中，例如反应堆燃料制造厂和后处理厂，临界质量概念有很重 要的意义。至关重要的是，要保证在任何地方都不能集中起大量可裂变材料， 使之达到临界质量，因为这将引起链式反应，导致极其严重的放射性危险。 §