# 核岛篇：裂变与链式反应

How fission in a pressurised\-water reactor's fuel releases heat, and how the surrounding water slows neutrons so they can keep the chain reaction going\. Chinese

By Xiaochuang DU

Topic: Physics & Chemistry

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## Transcript

### 1. 热从哪里来，水又在哪里

核电厂发电，需要先得到持续、可控的热。压水堆里，热主要在燃料中产生，水则流经燃料周围。这股水除了带走热量，还帮助反应继续进行。同一股水，怎样完成这两件不同的事？我们沿着一颗中子走一遍。

热在燃料里产生，水在燃料周围

### 2. 堆芯里既有燃料，也有水

堆芯并不是一整块实心燃料。许多燃料棒组成燃料组件，再装入压力容器。每根燃料棒内，是密封在金属包壳里的固体陶瓷芯块。水流过燃料棒之间的通道，接触的是包壳外表面，它并不流进完好的燃料棒里。

芯块、间隙、包壳在棒内，水在棒外

### 3. 进入燃料，看到一次核裂变

先看燃料内部。以铀二三五为例，原子核吸收一个中子后，有可能发生裂变，形成两个较轻的主要碎片，并放出新的中子和能量。这里裂开的是原子核。新中子可以继续参与核反应，两个主要碎片则把能量留在燃料中。

裂开的是原子核，碎片通常不等大

### 4. 为什么裂变会使燃料升温

裂变释放的能量，大部分先成为两个主要碎片的动能。它们带着电荷，在燃料内部只走很短的距离，就把能量传给周围物质，让燃料升温。所以，堆芯的主要产热，并不是靠中子在水里碰撞。中子怎样接力，是另一条线索。

琥珀色是热，青色是中子，两条线索分开

### 5. 新中子很快，为什么要慢下来

裂变刚放出的中子，大多动能很高，叫快中子。快中子也可能引发裂变。但在压水堆里，中子降到热中子能区后，更容易引发铀二三五裂变。所以反应堆利用燃料周围的水，帮许多中子先降低能量，再去参加下一轮接力。

出生时能量高，在水中降能，更利于下一次裂变

### 6. 跟着中子，从燃料走进水

一些中子会离开燃料，穿过包壳，进入燃料棒之间的水。水分子由氢和氧组成，对中子的慢化，氢的原子核起主要作用。接下来看到的，是中子与原子核之间的散射，不是水流像阻力一样把中子拖慢。

水流方向与中子路径无关

### 7. 看清一次散射：能量去了哪里

看一次散射。快中子靠近水中的氢核并与它相互作用，运动方向和速度发生变化。氢核获得一部分动能，出现反冲。中子交出这部分动能后继续运动，只是能量降低了。能量没有消失，而是从中子转移到了周围物质。

中子仍在，氢核获得了能量

### 8. 为什么氢核容易接走动能

氢核特别有效，一个关键原因是它的质量和中子很接近。打个比方：小球撞上质量差不多的球，容易把较多动能传过去；撞上重得多的物体，通常自己弹开，传走的能量比例较小。真实的微观散射遵循量子规律，台球只是帮助理解质量的作用。

台球只是类比，原子核没有坚硬的表面

### 9. 一次不够，多次散射才完成慢化

一次散射通常不够。同一颗中子在水中与一个又一个原子核相互作用，每次氢核反冲接走一部分动能，中子改变方向，继续前进，能量整体越来越低。氧和其他材料也参与相互作用。接近热中子能区后，中子和周围物质会互相交换能量，不会一直慢到停住。

画出的碰撞次数只是示意

### 10. 为什么热中子更有利于裂变

核反应发生的可能性，与中子的能量和遇到的原子核种类都有关。对铀二三五来说，在热中子能区，引发裂变的可能性较高。热中子并不是停住或冰冷的中子，它仍在运动，能量与周围物质的温度有关。也不是越慢越好。

热中子仍在运动，快中子也能引发裂变

### 11. 从水回到燃料，再次裂变

现在回到那三根燃料棒。慢化后的这颗中子，从棒间的水穿过包壳，进入燃料芯块，可能被铀二三五吸收，引发新的裂变，放出下一代中子。裂变、在水中慢化、再裂变，接力就这样闭合。真实堆芯里，有许多这样的路径同时进行。

不是每颗中子都要去相邻那根棒

### 12. 中子的三种去向与临界

并不是每颗中子都能接上力。有的被吸收而没有引发裂变，有的漏出堆芯，有的成功引发裂变。如果一代又一代的裂变数平均保持不变，反应就稳定自持，这叫临界。临界是正常、稳定运行的状态，不是失控的边缘。

临界：各代裂变数平均相等

### 13. 同一股水的第二个任务：移热

再看热量这条线索。燃料中产生的热，从芯块经过薄间隙，传到金属包壳，再传给包壳外的水。流动的水把热带出堆芯。中子散射也会留下一点能量，但主要的热来自裂变碎片。慢化和带热是两件事，发生在不同的尺度。

芯块 → 间隙 → 包壳 → 水

### 14. 高压水与蒸汽发生器

一回路的水压力很高，正常运行时整体保持液态。热水流到蒸汽发生器，在细管里流动，隔着管壁把热交给管外的二回路水，二回路一侧产生蒸汽。两股水正常情况下不混合。一回路的水变凉后，由主泵送回堆芯。

管壁分开两股水，稳压器在支路上

### 15. 怎样减少接力的中子

要让后续裂变减少，可以让更多中子被吸收。控制棒插入堆芯后会吸收中子，水中溶解的硼也会吸收中子。氢主要让中子降低能量，硼和控制棒则减少参与接力的中子数量，两者分工不同。水本身也会吸收少量中子。

氢：散射降能；硼与控制棒：吸收

### 16. 缓发中子：出生得晚

大多数中子在裂变瞬间放出，叫瞬发中子。还有少量中子，要等部分裂变产物后续衰变时才出现，叫缓发中子。它们拉长了反应变化的时间尺度，让调节来得及。缓发是出生得晚，和在水里运动变慢是两回事。

缓发：出生晚；慢化：运动降速

### 17. 停堆后仍要冷却：全程回顾

停堆把链式反应压下去，但燃料里的裂变产物仍在衰变放热，所以还要持续冷却。回顾三条线索：裂变碎片在燃料中产热；水帮助中子慢化、回到燃料接力；同一股水又把热带出堆芯，交给蒸汽发生器。

裂变产热 · 中子接力 · 热量外送