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核反应堆的工作原理和构造核反应堆是一种利用核裂变或核聚变反应产生能量的装置。
它是核能利用的重要设施，广泛应用于核电站、核动力舰艇和核研究等领域。
本文将介绍核反应堆的工作原理和构造。
一、核反应堆的工作原理核反应堆的工作原理基于核裂变或核聚变反应。
核裂变是指重核（如铀、钚等）被中子轰击后分裂成两个或多个轻核的过程，同时释放出大量的能量和中子。
核聚变是指轻核（如氘、氚等）在高温高压条件下融合成重核的过程，同样释放出巨大的能量。
核反应堆利用核裂变反应来产生能量。
在核反应堆中，将可裂变材料（如铀-235）装入燃料棒中，然后将燃料棒组装成燃料组件。
燃料组件被放置在反应堆的反应堆压力容器中。
当中子进入燃料组件时，会与铀-235核发生碰撞，使其裂变成两个轻核，并释放出大量的能量和中子。
这些中子会继续与其他铀-235核发生碰撞，形成连锁反应，从而产生更多的能量和中子。
为了控制核反应堆的反应速率，需要使用控制棒。
控制棒由吸中子材料（如硼、银等）制成，可以吸收中子，从而减缓或停止核反应。
通过调整控制棒的位置，可以控制核反应堆的功率输出。
二、核反应堆的构造核反应堆的构造主要包括反应堆压力容器、燃料组件、冷却剂、控制系统和安全系统等。
1. 反应堆压力容器：反应堆压力容器是核反应堆的主要组成部分，用于容纳燃料组件和冷却剂，并承受核反应过程中产生的高温高压。
反应堆压力容器通常由厚重的钢材制成，具有良好的密封性和强度。
2. 燃料组件：燃料组件是核反应堆中的核燃料载体，通常由燃料棒和燃料包壳组成。
燃料棒内装有可裂变材料，如铀-235，燃料包壳则起到保护燃料棒和防止核燃料泄漏的作用。
3. 冷却剂：冷却剂在核反应堆中起到冷却燃料和控制反应速率的作用。
常用的冷却剂包括水、重水、氦气等。
冷却剂通过循环流动，带走燃料棒中产生的热量，并将其转移到蒸汽发生器中，进而产生蒸汽驱动涡轮发电机组发电。
4. 控制系统：核反应堆的控制系统用于控制核反应的速率和功率输出。
核反应堆中的裂变与聚变过程分析核能作为一种高效的能源来源，被广泛应用于核反应堆中。
核反应堆中的核裂变与核聚变过程是实现核能利用的关键步骤。
本文将对核反应堆中的裂变与聚变过程进行分析和探讨。
首先，我们来详细了解一下核裂变过程。
核裂变是指一个原子核分裂为两个或多个较小的核碎片的过程。
在核反应堆中，通常采用的燃料是铀或钚等重原子核。
当这些原子核与中子发生碰撞时，原子核会吸收中子并变得不稳定。
不稳定的原子核随后会分裂成两个中等大小的核碎片，同时释放出大量的能量和多个中子。
核裂变过程主要具有三个特征：高能释放、连锁反应和中子释放。
首先，核裂变过程释放的能量非常巨大。
根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，微小的质量差异可以转化为巨大的能量。
这就是为什么核反应堆能够产生如此高能量的原因。
其次，核裂变过程还具有连锁反应的特点。
分裂产生的中子可以再次与其他原子核发生碰撞并引发更多的裂变过程，这将导致反应不断扩大，产生更多的能量。
最后，核裂变过程还会释放中子。
这些中子可以通过控制材料的选择和堆芯结构的设计来维持反应的持续进行。
与核裂变不同，核聚变是指将两个或多个轻核聚变为一个较重的核的过程。
核聚变是太阳及其他恒星能量的主要来源。
在核反应堆中，核聚变通常采用氘氚燃料进行。
氘氚燃料是由氘和氚两种同位素组成的。
当氘和氚发生碰撞时，会形成一个氦核和一个高速中子，同时释放出巨大的能量。
核聚变过程的特点主要包括：高能输出、可持续性和环保性。
首先，核聚变过程释放的能量也非常巨大。
通过聚变反应，每克燃料可以释放比化石燃料高几百倍的能量。
此外，核聚变过程具有可持续性。
作为地球上最丰富的物质之一，氘和氚等聚变燃料的储量非常丰富，相比之下，铀等核裂变燃料的资源有限。
另外，核聚变过程是环保的。
相比于核裂变过程中产生的放射性废物，核聚变过程中产生的废物主要是稳定的氦核，对环境污染较小。
核反应堆中的裂变与聚变过程的应用各有优势。
核裂变主要应用于目前大规模商业化的核电站中，可以提供稳定的、高效的能源供应。
一、核材料的分类1、核裂变反应堆材料：根据核反应堆部件的功能，制造核部件的材料可以分为：核燃料、包壳材料、控制棒材料（中子吸收体）、慢化剂和反射层材料、冷却剂材料、堆内构件材料、堆容器材料、回路管道材料、屏蔽材料、安全材料。
其中，核燃料又分为金属型燃料（铀和铀合金、铀-钚-锆合金）、氧化物燃料（二氧化铀、铀钚混合氧化物）、弥散型燃料（铀铝合金弥散燃料、高铀密度铝基弥散型燃料、包覆颗粒燃料）、高性能陶瓷燃料(碳化物燃料、氮化物燃料)。
2、核聚变反应堆材料:热核材料（氘、氚、3He）；第一壁材料（奥氏体不锈钢、铁素体和马氏体不锈钢、钒合金、SiC/SiC 复合材料）；高热流部件材料（铜合金、钼合金、铌合金）；面向等离子体材料（碳纤维复合材料、铍、钨和钨合金）；氚增殖材料（液态增殖材料、陶瓷增殖材料）。
3、空间核电源材料：温差发电材料（温差电偶材料、结构和连接材料、热辐射器材料、放射性同位素热源材料）；热离子反应堆电源材料（反应堆材料【核燃料、慢化剂材料、冷却剂材料、屏蔽材料】、发射极材料【钼及其合金化单晶、钨及其合金化单晶等】、绝缘陶瓷材料、热管材料）；碱金属热电转换器材料（快离子导电陶瓷材料、电极材料）。
二、核燃料定义：在核能领域，铀235、钚239、铀233、氘、氚、锂6等蕴藏着巨大原子能的核素和含有这些核素的材料统称为核燃料。
分类:一、聚变核燃料2H、3H、6Li通过核聚变反应释放能量，被称为核聚变燃料。
优点:大多数聚变反应释放出的能量是相同质量裂变燃料的几倍（1~6倍）。
聚变燃料资源极为丰富，且制备工艺较为简单，生产成本低廉。
除了氚具有放射性外，氘和锂都是稳定核素，无放射性。
聚变燃料燃烧后也不产生任何放射性废物，对环境无任何不良影响。
聚变燃料循环为D-T-Li循环，也比裂变燃料循环简单。
缺点：聚变反应需在上千万摄氏度的高温下才能进行，所以要实现在反应堆中进行可控的聚变反应，极为困难。
二、裂变核燃料裂变反应堆燃料元件用的燃料芯体材料，有金属型燃料、弥散型燃料和陶瓷型燃料。
6 重核的裂变互动课堂疏导引导1.对铀核裂变的正确理解（1）发现：1938年底德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变,向核能的利用迈出了第一步.（2）核反应方程：n 3Kr Ba n U 109236141561023592++→+.(3)裂变的解释：当中子进入铀235后，便形成了处于激发态的复核 .复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状，核子间的距离增大，因而核力减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2~3个中子；这些中子又引起其他的铀核裂变，这样，裂变就会不断进行下去，释放出越来越多的核能.这就叫链式反应，如图19-6-1所示.图19-6-1（4）临界体积：能发生链式反应的铀块的最小体积叫它的临界体积.要发生核反应，就必须使中子击中铀核，而核的体积很小，那么在铀块不太大的情况下，中子容易在通过铀核时碰不到铀核而跑到铀块外，因此，要发生链式反应，铀块的体积必须大于某一值，即临界体积.2.重核裂变的和平应用——核电站在核电站中，核反应堆是热源，如图1962为简化的核反应堆的示意图：图19-6-2铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀（铀235的含量占2%~4%）制成.石墨（或重水）为减速剂，使反应生成的快速中子变为慢中子，便于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围.镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒.控制棒插入深些，吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些，吸收中子少，反应速度加快.采用电子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作.核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水或液态钠作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电.发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的混凝土防护层可以防止辐射线射到外面.活学巧用【例1】 关于铀核裂变，下述说法正确的是（ ）A.铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B.铀核裂变时还能同时释放2~3个中子C.为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235D.铀块的体积对产生链式反应无影响思路解析：铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，并放出几个中子；铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子而引起裂变；而铀238只有俘获能量在Me以上的中子时才能引起裂变，且裂变的概率小；引起链式反应，须使铀块体积大于临界体积.故选项B 、C 正确.答案：BC【例2】 核反应堆的燃料是_________，石墨、重水等作为_________使裂变时产生的中子速度减小，易于被铀核吸收；用镉棒_________以控制核反应的_________，再用水等流体在反应堆内外循环流动传输反应中产生的热量.思路解析：在核反应堆中的核燃料是铀235，用石墨、重水等作减速剂，用镉棒来吸收中子，以控制反应速度.答案：铀235 减速剂 吸收中子 速度【例3】 每昼夜消耗220 g 铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率为多大？（每个铀核裂变时放出的能量是200 MeV ）思路解析：220 g 铀235中含铀核数量为N =235220×6.02×1023=5.64×1023个 N 个铀核裂变放出能量为E =5.64×1023×200 MeV=1.13×1026 MeV转化成电能E 电=E ×25%=2.83×1025 MeV=2.83×1025×106×1.6×10-19J=4.53×1012 J一昼夜时间为t =24×3 600 s=86 400 s所以电功率P =400861053.412⨯=t E 电W=5.24×107 W. 答案：5.24×107 W【例4】 静止在匀强磁场中的一个B 102核俘获了一个速度为v =7.3×104 m/s 的中子而发生核反应，生成α粒子与一个新核.测得α粒子的速度为2×104m/s,方向与反应前中子运动的方向相同，且与磁感线方向垂直.求：（1）写出核反应方程.（2）画出核反应生成的两个粒子的运动轨迹及旋转方向的示意图（磁感线方向垂直于纸面向外）.（3）求α粒子与新核轨道半径之比.思路解析：（1）由质量数守恒和电荷数守恒得：Li He n B 734210102+→+（2）由于α粒子和反冲核都带正电，由左手定则知，它们旋转方向都是顺时针方向，示意图如右.图19-6-3（3）由动量守恒可以求出反冲核的速度大小是103 m/s 方向和α粒子的速度方向相反，由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式qBmv r =可求得它们的半径之比是120∶7.答案：（1）Li He n B 734210102+→+ （2）如图19-6-3（3）120∶7。
