原子能与原子反应堆 [复制链接]

第5版()
专栏：

原子能与原子反应堆
金林
从放射性的发现到核燃料
原子能是在十九世纪末叶发现的，在二十世纪的四十年代里开始大规模地发展。在这四、五十年内，人们对于贮藏原子能的宝库——原子核——作了大量的探索研究工作。
在十九世纪末叶，法国科学家贝克勒耳、波兰科学家居里夫人等发现铀、镭原子核能放出具有很高能量的射线。这种射线有三种不同类型，人们称之为α（阿耳法）射线、β（贝塔）射线、γ（伽玛）射线。α射线由带有正电的氦原子核组成，β射线由带有负电的电子组成，γ射线为波长比X射线还短的光线。这时，原子能除了在医学上有用处外，其他方面还很少利用。这是由于原子核所释放出来的能量不多，以及原子能尚未被人们所控制。
在一九一九年，英国科学家卢瑟福在他的物理学实验室里利用钋212所放出的α粒子轰击氧16原子核，得到氢原子核（就是质子）与氧17原子核。在这实验之前，人们认为，由一种原子核变为另一种原子核（如一个铀原子核放出一个α粒子后，变为一个钍原子核），是一种不能由人工控制的自然现象。
在卢瑟福的人工改变原子核的实验成功之后，世界上有很多的实验室进行这方面的研究，但是当时用以轰击原子核的粒子都是带正电的。如α粒子、质子、氘（重氢）核等。但是在带正电的粒子与带正电的原子核碰撞的时候，它们碰撞的可能性是会因两者间的正电排斥力而降低的。
用以轰击原子核的较佳的粒子是中子；因为中子不带电，所以它与所碰的原子核之间无电排斥力存在。中子是科学家查特威克在一九三二年发现的。中子的发现，不仅使得人工改变原子核的可能性增加，并且还使人们得以进一步揭露原子核结构之谜。人们在实验与理论上肯定了原子核是由中子和质子构成的观点。
用中子轰击原子核的大量工作是由意大利科学家费密开始做的。自此以后，很多实验室进行了这方面的工作。
人们用中子碰击铀原子核，结果发现有些铀原子核可以吸收一个中子，并放出一个电子，形成一个新原子核，人们称之为镎原子核；镎原子核也能放出一个电子，而形成另一个新原子核，人们称之为钚原子核。镎与钚在自然界不存在，是人工地制造出来的。在化学元素周期表上排列的时候，它们应排在铀的后面。铀是九十二号元素，镎是九十三号元素，钚是九十四号元素，所以人们把镎、钚称为铀后元素。
人们发现，当用中子碰击铀原子核的时候，还有一种十分奇特的现象，就是：有些铀原子核在吸收中子之后，会分为两个原子核，例如镧原子核与溴原子核。与此同时，还放出大量的能量。这一现象，人们称为裂变。
我们知道，铀原子核有两种不同的重量：一种较重的铀原子核称为铀238，另一种较轻的铀原子核称为铀235，这就是铀的两种同位素。当中子击中铀238原子核的时候，可以依次变为镎和钚；而当中子击中铀235的时候，则可以分为两个原子核。
人们在发现铀235原子核裂变时有大量的能量放出后，就想到如果能有效地控制原子核放出的能量——即所谓原子能，就能够象利用煤炭燃烧放出来的能量一样来利用原子能，这显然将在人类发展生产上起很大的作用。因此，铀235称为核燃料。
链式反应——“原子核的燃烧”
煤炭、石油等燃烧放出的能量之所以能被人们利用，一方面是由于所放出的能量是大量的，另一方面是由于能量连续不断地放出。一部分煤炭或石油烧掉以后，接着另一部分煤炭或石油燃烧起来。同样地，我们要利用铀235原子核在裂变的时候放出的大量能量，也必须使铀235原子核的裂变连续发生。
人们发现，在铀235原子核裂变的时候，除了放出大量能量外，还放出二个或三个中子，这些中子有可能引起其它铀235原子核的裂变。这种过程连续地进行下去，称为链式反应。但是，实际上，要产生链式反应，是不很简单的。
从自然界的铀矿开采、提取出来的铀中，铀235的成分是相当少的，约占总量的百分之零点七，其余大量的是铀238。
我们又知道，铀235必须吸收中子之后，才能产生裂变。但是，不同能量的中子，使铀235产生裂变的可能性也不一样。最容易使铀235原子核产生裂变的是所谓热中子。热中子是能量很低的中子，其能量约为0．025电子伏特（1电子伏特＝1．6×10-12尔格）。而铀235原子核在裂变的时候放出来的中子的能量却有二兆电子伏特左右。因此要使它成为热中子，就必须减低它的能量。
我们常用石墨、水等作为减低中子能量的物质——减速剂，因为石墨中的碳原子核或水中的氢原子核，都可以使中子的能量减低。
但是，有些元素的原子核会吸收中子。这种元素常常不可避免地存在于减速剂中，即减速剂常常是不纯的。这些不纯物质的原子核常会吸收掉中子。
所以要产生链式反应，必须有这样一个系统：其中由铀235原子核裂变的时候所放出来的中子数目，在减去被铀与不纯物质吸收掉的中子数目后，不比原来的中子数目少。只有这样，才能保证铀235原子核产生链式反应。
“原子锅炉”——反应堆
要使煤炭连续燃烧，我们要有炉子。要使铀235原子核的裂变产生链式反应，也要有相应的炉子。这种“原子锅炉”就是原子反应堆。第一个原子反应堆是在一九四二年建成的。
原子反应堆的核心部分称为活性区。活性区是由放在石墨、水或重水中的很多铀棒（用铀制成棒状元件）组成的。石墨、水或重水是用来减低中子的能量，使铀235裂变的时候所放出的中子变为热中子。这种原子反应堆称为热中子反应堆。用能量较高的中子来产生铀原子核链式反应的原子反应堆，称为快中子堆。在快中子堆中，部分铀238原子核也发生裂变。
在活性区的外面，有一个反射层包围着。反射层的作用是使部分将飞出活性区的中子反射回去，减少从活性区飞出的中子。反射层可以用石墨来制造。
原子反应堆在运转的时候，常常有大量中子和大量γ射线放出反应堆外。中子和γ射线四散在空气中，会给工作人员和附近居民带来危害。为了防止中子和γ射线的放出，在原子反应堆的反射层外包着一层很厚的防护层。防护层常用钢和水泥等制成。
原子反应堆中的中子数目是用控制棒来控制的。控制棒用能大量吸收中子的材料（如镉）做成。控制棒先放在反应堆内部。如果反应堆里中子数目在减少，则表示反应堆中链式反应要停止，于是我们把控制棒从反应堆中拔出一些，以减少中子的吸收；反之，如果原子反应堆里中子数目增长，则表示反应堆中的链式反应是在不断增长。如果不加制止，就会使功率过高，甚至产生事故。这时，我们应当把控制棒多插入一些，于是中子就被多吸收了一些。总之，要使反应堆中的中子数目保持稳定不变。
反应堆在运转的过程中所放出来的热量，是用冷却剂经过循环系统带出来的。冷却剂可以用水、二氧化碳、空气、液态钠等。如果带出的热量相当大，则可以用来发电、开动机器。
反应堆内还设有很多垂直的或水平方向的孔道。这些孔道是作物理学、化学、生物学等实验之用的。因为原子反应堆内有大量的γ射线与中子，所以如果将各种金属放在这些孔道内，就可以研究γ射线与中子对金属的影响；如果将动、植物放在这些孔道内，就可以研究γ射线与中子对动、植物的影响；如果把不同元素放在这些孔道内，就可以制成各种具有放射性的同位素。这些同位素在科学研究、工业、农业、医学上，都有着很大的作用。例如工业中常用的钴60，就可以在反应堆中制造。
反应堆中还往往设有热柱，通过石墨柱将中子减速成为热中子引出堆外，来作各种物理学实验。
反应堆的另一个用途，是制造钚239。钚239与铀235是目前我们常用的核燃料。我们在一个中子通量（每秒每单位面积通过的中子量）较大的反应堆的适当地方放上铀238，那末铀238就会吸收一个中子而成为镎239，镎239又会放出一个电子而形成钚239。
钚239与铀235具有类似的特性，就是当一个中子与一个钚239原子核作用后，这个钚239很容易产生裂变，并放出大量能量和三个中子，因此钚239的裂变也能形成链式反应。所以，钚也是常用核燃料之一。
由此可知，反应堆的用途是很大的。但是，某一个特定设计的反应堆只能有一种或几种用途。例如做科学实验研究用的反应堆，不一定能用来产生动力。
原子核内所含的能量是很大的。一公斤铀235裂变所放出的能量，相当于二千吨优质煤燃烧所放出的能量。并且，核燃料的蕴藏量又很大。因此，从核燃料取得动力，意义很大。从它取得动力，就可以把煤、炭等节约下来，把它用在别的更有价值的地方。