核裂變過程

核能的利用，與原子裂變過程有關，這里以U235為例說明其過程。當中子轟擊U235的原子核后，原子核分裂成為兩個裂變碎塊，并釋放出兩個或三個中子，平均為2．43個。如每次裂變后放出的2～3個中子，除泄漏及被別的元素吸收外，至少有一個中子可擊中另一個U235原子核，并使之裂變，則這種裂變過程就可一代一代地維持下去，這種過程就稱為鏈式反應。

根據愛因斯坦能量方程式，裂變過程釋放的能量為：E = mc2式中，m為質量；c為光速。因此，1 kg的U235理論上可產生2 667 t標準煤的熱量。現在的核電站使用U235作為核燃料。自然中的鈾稱為天然鈾，它主要由U235和U238組成。U235、U238稱為鈾的同位素。天然鈾中U235占0．714％，易裂變；U238占99．3％，不易裂變。天然鈾在多數型式的反應堆中不能維持連鎖反應。因為中子沖擊U238的原子核后通常并不產生裂變，卻很容易被它俘獲，造成中子的損失。因而天然鈾作為核燃料時，必須經過加工以增加U235的比例。富集的燃料含有3％～20％的U235。

核能的利用

對U235在核裂變過程中產生的熱能，用冷卻介質加以吸收，將此熱能用來產生蒸汽，然后利用蒸汽推動汽輪機作功，再帶動發電機發電，就可完成核能到電能的轉換。利用核能的關鍵是實現可控核裂變。能夠實現大規模可控核裂變鏈式反應的裝置稱為核反應堆，簡稱為反應堆。它是向人類提供核能的關鍵設備。

在水電廠，機組輸出功率通過調節水輪機進水量進行調節；在火電廠，通過調整輸入爐膛的煤粉和進風量調整鍋爐的輸入熱量。那么在核電廠，輸出能量如何控制呢?U235原子核的裂變，是通過中子轟擊造成的。沒有中子的轟擊，就不可能有大量原子核的裂變。因此，可以通過調節中子的數量來達到調節原子核裂變反應的規模，即達到調節反應堆輸出功率的目的。

調節中子的數量，是通過移動控制棒來實現的。控制棒由鎘或碳化硼等易吸收中子的材料制成，一般垂直放置，可上下運動。如果將控制棒插入反應堆的核燃料內，則吸收的中子多，裂變反應的規模就越來越小，反應堆功率下降；如果將控制棒抽出反應堆，則吸收的中子少，裂變反應的規模就越來越大，反應堆功率上升。當反應堆的功率上升到所要求的程度時，再適當插入控制棒，使吸收中子的數目適中，以便每次裂變后還剩下一個中子，可以擊中另一個U235原子核。這樣一來，裂變反應的規模就會一代一代地維持下去，從而使反應堆保持穩定的功率。總而言之，控制棒是調節反應堆平衡狀態的砝碼。

為防止反應堆功率上升時控制棒插不進去，導致反應堆失控，人們想出了另一種萬無一失 的辦法。這就是在反應堆上部放置含硼液體。這種含硼液體可依靠高壓氮氣瓶的壓力注入反 應堆。由于硼大量吸收中子，反應堆的功率就會急劇下降。現代的核電站，在以控制棒上下運動的辦法來調節反應堆功率的同時，都采用在頂部放置 含硼液體的辦法，以確保在任何情況下，都能使反應堆安全停堆。

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