[科普中國(guó)]-奧托·哈恩核反應(yīng)堆

奧托·哈恩核反應(yīng)堆是因德國(guó)科學(xué)家?jiàn)W托·哈恩而得名，1938年，德國(guó)人奧托·哈恩和休特洛斯二人成功地使中子和鈾原子發(fā)生了碰撞。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有著非常重大的意義，它不僅使鈾原子簡(jiǎn)單地發(fā)生了分裂，而且裂變后總的質(zhì)量減少，同時(shí)放出能量，尤其重要的是鈾原子裂變時(shí)，除裂變碎片之外還射出2至3個(gè)中子，這個(gè)中子又可以引起下一個(gè)鈾原子的裂變，從而發(fā)生連鎖反應(yīng)。

反應(yīng)堆歷史簡(jiǎn)介早在1929年，科克羅夫特就利用質(zhì)子成功地實(shí)現(xiàn)了原子核的變換。但是，用質(zhì)子引起核反應(yīng)需要消耗非常多的能量，使質(zhì)子與目標(biāo)的原子核碰撞命中的機(jī)會(huì)也非常之少。

1938年，德國(guó)人奧托·哈恩和休特洛斯二人成功使中子和鈾原子發(fā)生了碰撞。這個(gè)實(shí)驗(yàn)有著重大的意義，它不僅使鈾原子簡(jiǎn)單發(fā)生分裂，而且裂變后總質(zhì)量減少，同時(shí)放出能量，更為重要的是鈾原子裂變時(shí)，除裂變碎片之外還射出2到3個(gè)中子，這個(gè)中子可引起下一個(gè)鈾原子裂變，發(fā)生連鎖反應(yīng)。

1939年1月，用中子引起鈾原子核裂變的消息傳到費(fèi)米的耳朵里，當(dāng)時(shí)他已逃亡到美國(guó)哥倫比亞大學(xué)，費(fèi)米不愧是個(gè)天才科學(xué)家，他一聽(tīng)到這個(gè)消息，馬上就直觀地設(shè)想了原子反應(yīng)堆的可能性，開始為它的實(shí)現(xiàn)而努力。費(fèi)米組織了一支研究隊(duì)伍，對(duì)建立原子反應(yīng)堆問(wèn)題進(jìn)行徹底的研究。費(fèi)米與助手們一起，經(jīng)常通宵不眠地進(jìn)行理論計(jì)算，思考反應(yīng)堆的形狀設(shè)計(jì)，有時(shí)還要親自去解決石墨材料的采購(gòu)問(wèn)題。

1942年12月2日曼哈頓計(jì)劃期間，費(fèi)米的研究組人員全體集合在美國(guó)芝加哥大學(xué)Stagger Field 的一個(gè)巨大石墨型反應(yīng)堆前面。這時(shí)由費(fèi)米發(fā)出信號(hào)，緊接著從那座埋沒(méi)在石墨之間的7噸鈾燃料構(gòu)成的巨大反應(yīng)堆里，控制棒緩慢地被拔了出來(lái)，隨著計(jì)數(shù)器發(fā)出了咔嚓咔嚓的響聲，到控制棒上升到一定程度，計(jì)數(shù)器的聲音響成了一片，這說(shuō)明連鎖反應(yīng)開始了。這是人類第一次釋放并控制了原子能的時(shí)刻，這個(gè)反應(yīng)堆被命名為“芝加哥一號(hào)堆"。

1954年前蘇聯(lián)建成世界上第一座原子能發(fā)電站利用濃縮鈾作燃料，采用石墨水冷堆，電輸出功率為5000千瓦。1956年，英國(guó)也建成了原子能電站。原子能電站的發(fā)展并非一帆風(fēng)順，不少人對(duì)核電站的放射性污染問(wèn)題感到憂慮和恐懼，因此出現(xiàn)了反核電運(yùn)動(dòng)。其實(shí)，在嚴(yán)格的科學(xué)管理之下，原子能是安全的能源。原子能發(fā)電站周圍的放射性水平，同天然本底的放射性水平實(shí)際并沒(méi)有多大差別。

1979年3月，美國(guó)三里島原子能發(fā)電站由于操作錯(cuò)誤和設(shè)備失靈，造成了原子能開發(fā)史上空前未有的嚴(yán)重事故。然而，由于反應(yīng)堆的停堆系統(tǒng)、應(yīng)急冷卻系統(tǒng)和安全殼等安全措施發(fā)揮了作用，結(jié)果放射性外逸量微乎其微，人和環(huán)境沒(méi)有受到什么影響，充分說(shuō)明現(xiàn)代科技的發(fā)展已能保證原子能的安全利用。

奧托·哈恩核反應(yīng)堆原理核反應(yīng)堆是核電站的心臟 ，它的工作原理是這樣的：

原子由原子核與核外電子組成。原子核由質(zhì)子與中子組成。當(dāng)鈾235的原子核受到外來(lái)中子轟擊時(shí)，一個(gè)原子核會(huì)吸收一個(gè)中子分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)放出2—3個(gè)中子。這裂變產(chǎn)生的中子又去轟擊另外的鈾235原子核，引起新的裂變。如此持續(xù)進(jìn)行就是裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生大量熱能。用循環(huán)水（或其他物質(zhì)）帶走熱量才能避免反應(yīng)堆因過(guò)熱燒毀。導(dǎo)出的熱量可以使水變成水蒸氣，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。由此可知，核反應(yīng)堆最基本的組成是裂變?cè)雍?載熱體。但是只有這兩項(xiàng)是不能工作的。因?yàn)?，高速中子?huì)大量飛散，這就需要使中子慢化增加與原子核碰撞的機(jī)會(huì)；核反應(yīng)堆要依人的意愿決定工作狀態(tài)，這就要有控制設(shè)施；鈾及裂變產(chǎn)物都有強(qiáng)放射性，會(huì)對(duì)人造成傷害，因此必須有可靠的防護(hù)措施；核反應(yīng)堆發(fā)生事故時(shí)，要防止各種事故工況下輻射泄漏，所以反應(yīng)堆還需要各種安全系統(tǒng)。綜上所述，核反應(yīng)堆的合理結(jié)構(gòu)應(yīng)該是：核燃料+慢化劑+載熱體+控制設(shè)施+防護(hù)裝置+安全設(shè)施。

還需要說(shuō)明的是，鈾礦石不能直接做核燃料。鈾礦石要經(jīng)過(guò)精選、碾碎、酸浸、濃縮等程序，制成有一定鈾含量、一定幾何形狀的鈾棒或者球狀燃料才能參與反應(yīng)堆工作1。

應(yīng)用領(lǐng)域核裂變時(shí)既釋放出大量能量、又釋放出大量中子。核反應(yīng)堆有許多用途，但歸結(jié)起來(lái)，一是利用裂變核能，二是利用裂變中子。核能主要用于發(fā)電，但它在其它方面也有廣泛的應(yīng)用。例如核能供熱、核動(dòng)力等。

核能供熱是廿世紀(jì)八十年代才發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，這是一種經(jīng)濟(jì)、安全、清潔的熱源，因而在世界上受到廣泛重視。在能源結(jié)構(gòu)上，用于低溫（如供暖等）的熱源，占總熱耗量的一半左右，這部分熱多由直接燃煤取得，因而給環(huán)境造成嚴(yán)重污染。在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中，近70%的能量是以熱能形式消耗的，而其中約60%是120℃以下的低溫?zé)崮?，所以發(fā)展核反應(yīng)堆低溫供熱，對(duì)緩解供應(yīng)和運(yùn)輸緊張、凈化環(huán)境、減少污染等方面都有十分重要的意義。核供熱是一種前途遠(yuǎn)大的核能利用方式。核供熱不僅可用于居民冬季采暖，也可用于工業(yè)供熱。特別是高溫氣冷堆可以提供高溫?zé)嵩?，能用于煤的氣化、煉鐵等耗熱巨大的行業(yè)。核能既然可以用來(lái)供熱、也一定可以用來(lái)制冷。

核動(dòng)力推進(jìn) ，主要用于核潛艇、核航空母艦和核破冰船。由于核能的能量密度大、只需要少量核燃料就能運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，這在軍事上有很大優(yōu)越性。尤其是核裂變能的產(chǎn)生不需要氧氣，故核潛艇可在水下長(zhǎng)時(shí)間航行。正因?yàn)楹藙?dòng)力推進(jìn)有如此大的優(yōu)越性，故幾十年來(lái)全世界己制造的用于艦船推進(jìn)的核反應(yīng)堆數(shù)目已達(dá)數(shù)百座、超過(guò)了核電站中的反應(yīng)堆數(shù)目（當(dāng)然其功率遠(yuǎn)小于核電站反應(yīng)堆）。當(dāng)前核航空母艦、核驅(qū)逐艦、核巡洋艦與核潛艇一起，已形成了一支強(qiáng)大的海上核力量2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

黃倫先 - 副教授 - 西南大學(xué)