核子反應爐

**核子反應爐**（英語：**nuclear reactor**）是一種啟動、控制並維持核分裂或核融合連鎖反應的裝置。相對於核武爆炸瞬間所發生的失控鏈式反應，在反應爐之中，核變的速率可以得到精確的控制，其能量能夠以較慢的速度向外釋放，供人們利用。自 20 世紀 50 年代以來，分裂反應爐的相關技術早已成熟，但對於融合反應爐的開發至今仍處於探索階段。

核子反應爐有許多用途，當前最重要的用途是產生熱能，用以代替其他燃料加熱水，產生蒸汽發電或驅動航空母艦等設施運轉。一些反應爐被用來生產為醫療和工業用途的同位素，或用於生產武器級鈽。一些反應爐運行僅用於研究。當前全部商業核子反應爐都是基於核分裂的。今天，在世界各地的大約 30 個國家裡有被用於發電的大約 450 個核子反應爐。

## 工作原理

和傳統的熱電站利用燃燒化石燃料釋放熱能一樣，核電廠是由受到控制的核分裂釋放的能量轉換為熱能，進而轉化為機械的和電子的能源形式。

### 核分裂

當一個原子數較高的核子（例如 U-235 或 Pu-239）吸收一個中子，會形成一個激發態的核子，然後分裂為兩個或更多個輕核。釋放出動能，伽瑪射線和若干個中子，統稱為分裂產物。其中有些中子可能被下一個重核吸收，引發下一個分裂反應，釋放出更多的中子，依此類推。這個反應就是連鎖反應。

但是動量太高的中子不容易被重核吸收，需要慢化劑來減速中子。而太多中子會使反應過快失去控制，我們可以用一些對中子吸收截面較大的核素來吸收中子抑制鏈式反應。通過中子減速劑與吸收劑，來增加和降低反應速率以控制反應爐的輸出功率。

一般常用的中子慢化劑有輕水（即 H2O）（世界上 75％的反應爐用輕水做慢化劑），固體石墨（20％）（車諾比電廠為著名的例子）和重水（即 D2O）（5％）。在一些實驗堆中，甲烷和鈹也被用來做慢化劑。

### 熱能的產生

在反應爐裡，熱能主要有以下幾個來源：

1. 反應碎片通過和周圍原子的碰撞，把自身的動能傳遞給周圍的原子。
2. 分裂反應產生的伽瑪射線被反應爐吸收，轉化為熱能。
3. 反應爐的一些材料在中子的照射下被活化，產生一些放射性的元素。這些元素的衰變能轉化為熱能。這種衰變熱會在反應爐關閉後仍然存在一段時間。

1 千克 235U 完全分裂得到的熱能約等於 3 千噸煤燃燒所釋放的能量。

### 冷卻

在反應爐裡，一般用水做冷卻劑（輕水或重水），也有用氣體，融鹽或是熔態金屬的。冷卻劑通過泵浦在爐心裡循環流動，同時把通過分裂產生的熱傳遞出來。一般的反應爐的冷卻系統和熱機是分開的，例如壓水堆。也有的反應爐，蒸氣是由反應爐直接加熱得到的，例如沸水反應爐。

### 反應爐控制

反應爐的輸出功率，或者說反應率，是通過控制爐心內的中子密度和能量來控制的。

控制棒由熱、中子強吸收材料做成。如果有很多的中子被控制棒吸收，就意味著就少一些中子引發鏈式反應。因此，把控制棒插入爐心，將會減慢反應速率，降低輸出功率。相反，將控制棒抽出，鏈式反應的速率將會增加，輸出功率也會增加。

在一些反應爐裡，冷卻劑同時也起慢化的作用。慢化劑通過和快中子的碰撞，吸收中子的能量，使快中子能量降低，成為熱中子。而熱中子引發核反應的截面更大些。因此慢化劑密度高，將會增加反應爐的功率輸出。而溫度高，冷卻劑的密度會降低，慢化作用降低，反應速率下降。另一些反應爐裡，冷卻劑會吸收中子，起到控制棒的作用。在這些反應爐裡，可以通過加熱冷卻劑來提高反應爐的功率。

反應爐都有自動和手動的系統來防止意外事件的發生，當出現意外事件時，將有大量的中子強吸收材料注入，使反應爐關閉。

反應爐的反應性（reactivity） $\rho $ 用來衡量鏈式反應離臨界狀態有多遠，超臨界時反應性大於 0，臨界時反應性等於 0，次臨界時反應性小於 0。
以 $a$ 表示「核分裂反應產生的中子數」， $b$ 表示「核分裂反應消耗的中子數」，則兩者之比為

　
: $k={\frac {a}{b}},$

而 $\rho $ 可由此計出：

　
: $\rho ={\frac {k-1}{k}}.$

考慮到臨界尚有瞬發與緩發之分，加以校正後，反應性大小可以元為單位表示。

### 發電

由鏈式反應釋放出的熱能通過冷卻劑傳導出來，加熱水產生水蒸氣，推動蒸汽渦輪發動機轉動發電機發電。

## 早期核子反應爐

人類歷史上公認的第一個核子反應爐是由恩里科・費米於 1942 年在芝加哥大學負責設計建造的芝加哥 1 號堆；該核子反應爐輸出功率僅為 0.5W。

1954 年，蘇聯建成世界上第一座純民用的奧布寧斯克原子能發電站，裝機容量為 5 MW。

1960 年，美國製造 8 座輸出達 2 MW 的攜帶型核子反應爐 Alco PM-2A 供應該國陸軍在格陵蘭的 Camp Century 計畫使用。

1972 年，法國工人們在非洲加彭的奧克洛（Oklo）地區發現輸出達 100kW 的天然核子反應爐，從大約 20 億年以前開始反應。

## 核子反應爐的組件

一般核電廠的關鍵部分是：

* 核燃料
* 反應爐燃料棒
* 慢化劑
* 冷卻劑
* 控制棒
* 壓力槽
* 反應爐中心緊急冷卻系統
* 反應爐保護系統
* 蒸汽發生器（沸水式反應爐中沒有這個）
* 安全殼建築
* 主泵
* 汽輪機
* 發電機
* 冷凝器

## 分類

核子反應爐有幾種不同的分類方法，以下提供這些分類方法的簡介。

### 按核反應的類型分類

* 核分裂。所有的商業發電反應爐是基於核分裂。它們一般採用鈾及其產物鈽作為核燃料，雖然釷燃料循環也是可能的。核分裂反應爐可被粗略地分為兩種類型，取決於中子維持鏈式反應的能量。
* 核融合。核融合發電是一個實驗性的技術，一般用氫作為燃料。儘管不適於電力生產，范斯沃斯 - 赫希 fusor 用於產生中子放射線源。

### 按用途分類

按用途分類，可以分為：

* 發電
  * 核電廠
* 動力核子反應爐
* 生產核子反應爐（快中子增殖反應爐 FBR）
* 其他供熱用途
  * 海水淡化
* 研究核子反應爐（先進實驗反應爐）

### 按慢化劑和冷卻劑分類

按照反應爐慢化劑和冷卻劑的不同，可以分為：

* 輕水反應爐（壓水反應爐、沸水反應爐）：輕水型反應爐使用相對分子質量為 18 的輕水作為慢化劑和冷卻劑。
* 重水反應爐：重水堆可按結構分為壓力槽式和壓力管式兩類。兩者都使用重水做慢化劑，但前者只能用重水做冷卻劑後者卻可用重水、輕水、氣體等物質做冷卻劑。
* 石墨氣冷反應爐
* 石墨液冷反應爐 (壓力管石墨式漫化沸水反應爐)

按照反應爐中中子的速度，可以分為：

* 熱中子反應爐（目前最普遍的反應爐類型）：使用減速後的熱中子以維持其他燃料分裂。這種反應爐包含中子減速劑，用於降低中子減速，直至它們中子溫度被熱化。在這個過程中，直至中子的動能接近四周粒子的平均動能。與更快的核中子相比，熱中子對可分裂材料如鈾 - 235，鈽 - 239 和鈽 - 241 有進行分裂的中子截面更高，相對而言，鈾 - 238 中子捕獲的機會較低，允許使用低濃縮鈾，甚至天然鈾燃料。中子慢化劑通常也是冷卻劑，通常以高壓增加水的沸點。這些被反應爐壓力槽、監測和控制反應爐的儀器、安全殼所包圍。
* 快中子反應爐

### 按代分類

* 第一代反應爐（早期原型研究堆，非商業用反應爐，生產的電力一般用於展示）
* 第二代反應爐（目前大多數核電廠，1965 年至 1996 年，當初設計的使用年限為 30-40 年，現在有些考慮到安全性正逐步退役，有些延長再使用 10-20 年（預計使用 50-60 年）。像是在美國大約有 75% 正在運轉的反應爐延長 20 年使用期限 (總共使用 60 年)。） 依不同的設計主要可分為
1. 壓水反應爐（PWR），美國研發
2. 沸水反應爐（BWR），美國研發
3. 加拿大重水鈾反應爐（CANDU），加拿大研發
4. 進階版氣冷反應爐（AGR），英國研發
5. 水 - 水高能反應爐（VVER），俄羅斯研發
6. 壓力管式石墨慢化沸水反應爐（RBMK），俄羅斯研發
* 第三代反應爐（在設計上有大幅度的改進，像是燃料技術的改善，更有效率地應用熱能和安全系統的升級，像是使用被動核安全系統，在意外事故發生時利用重力冷卻爐心。1996 年至今）

目前正在運轉的有

1. 奇異公司和東芝一起推出的進步型沸水式反應爐（ABWR）
2. 韓版先進壓水反應爐
3. 水 - 水高能反應爐（VVER-1000/428）
4. 俄式快中子增殖反應爐（ BN-800 reactor）

目前正在建造的有

1. 中國改進型壓水堆（ACPR1000）
2. 華龍一號（HPR1000 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館））
3. 水 - 水高能反應爐（VVER-1000/428M）
4. 歐洲壓水反應爐
* 第三代反應爐加強版（在安全系統和經濟效能上有革命性的突破。2017 年在俄羅斯沃羅涅日州啟動的 VVER-1200/392M 為第一座運轉的第三代反應爐加強版。)

目前正在建造的有

1. AP1000
2. CAP1400
3. 在土耳其建造的 ATMEA1
4. 在白俄羅斯建造的 VVER-1200/491，一號機計畫 2018 年完工，二號機計畫 2020 年完工 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 第四代反應爐（目前尚在研發階段，主要訴求是更佳的安全性能，永續發展，效能提升和降低成本。）

主要有六款，三款使用慢中子產生熱能三款使用快中子產生熱能。都是使用核分裂產生熱能。

慢中子款的有

1. 超高溫反應爐（ Very high temperature reactor，VHTR）
2. 超臨界水反應爐（Supercritical water reactor，SCWR）
3. 熔鹽堆

快中子款的有

1. 氣冷快中子反應爐（Gas-cooled fast reactor，GFR）
2. 鈉冷快中子反應爐（Sodium-cooled Fast Reactor，SFR）
3. 鉛冷快中子反應爐（Lead-cooled fast reactor，LFR）

術語「第四代」是美國能源部（DOE）戲稱在 2000 年開發新的工廠類型。在 2003 年，法國原子能和替代能源委員會（CEA）是第一個提到第二代類型在核子學周期間；一起使用第三代類型的第一個提出的也是在 2000 年，在推出的第四代國際論壇（GIF）計劃期間。

### 其他反應爐

* 氣冷反應爐（氣冷快中子反應爐）
* 多用途高溫氣體反應爐
* 天然核子反應爐

## 核燃料循環

核燃料循環 (英語：Nuclear fuel cycle)，指的是核燃料經過在使用過程中所經過的一系列不同的階段。它主要包括前端步驟，其中有製造核燃料的過程、使用期間的各個步驟、以及後端步驟，其中有在核燃料使用完畢時或者核燃料再處理或者處理用過核燃料的過程。

## 核安全

核安全涉及採取措施防止核與放射線事故或限制其後果的行動。核電行業具有改善的安全性和反應爐的性能，並已提出了新的更安全的（但一般未經測試）反應爐設計，但也不能保證該反應爐將被正確的設計，建造和操作。

隨著石油和煤炭資源日漸稀缺，以及為減緩空氣污染、降低溫室氣體排放等課題，核能發電開始受到重視。例如，法國核能被認為是核能應用成功的故事。法國是應用核子反應爐發電最廣泛的國家，法國依靠核能產生全國 75% 的電能。

## 參見

## 註釋

## 參考文獻