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反應器

Reactor (Nuclear)

黃良雄
2002年2月
環境科學大辭典

名詞解釋:  為核子反應器(nuclear reactor)的簡稱,凡能自足維持連鎖核反應的設計皆是,但核熔合反應尚在初期研發階段,故實用上乃指核分裂反應。反應器包含了核燃料(可裂材料,如鈾、鈽等)、緩和物質(快滋生反應器例外)、反射裝置(減少中子逸失)、熱移除設計、量測及控制裝置等。因第一座反應器是芝加哥大學以石墨塊與鈾塊堆成(及其他早期反應器也是),故過去反應器又稱反應堆(pile),甚至也用來表示核彈。反應器依不同分法可分成:   I、依燃料排置可分成:   A、均質反應器(homogeneous)指可裂材料(燃料)與緩和劑均勻地混合於反應器之核心內,與混質反應器相對比。均質擴散反器爐模式為理論上的理想數學模式,簡化實際設計上的不均勻性,但依然能提供反應器設計上的許多重要參數,特別當不均勻性尺度比起中子平均自由路徑可忽略時。   B、混質反應器(heterogeneous)   II、依中子能量   A、上熱中子(epithermal):有相當比例的核分裂(30到40%)是由較熱中子能量高的上熱中子所誘發。   B、快中子(fast):無太多中子緩和減能設計的反應器,主要是靠快中子引發核反應,最低的平均能量在0.1 MeV左右,一般以0.3到0.5 MeV較常見,以U238.分裂閥為快中子設計下限,一般會有較佳的中子經濟。   C、過渡中子(Intermediate):引發核反應的中子主要是介於熱中子與快中子間(0.5 eV到0.1 MeV),中子共振吸收會是主要的機制。   D、熱中子(thermal):主要由熱中子持續其分裂鏈反應的反應器,熱中子能量通常以0.025 eV(2200 m/s)代表,為Maxwell理論分布在293 oK(20℃)的平均中子能量,但一般熱中子反應器操作的溫度較此為高,這類反應器基本需要緩和劑設計。   III、用途   A、能源:商業運轉的反應器皆是設計以能源為主,以熱能進而發電,所謂的核工業界基本上就是核電工業。   B、滋生能源(power breeder):設計可同時產生能源及燃料的反應器,將可孕材料轉化成易裂材料(如U-238轉化成Pu-239),但所產生的易裂材料量大於消耗量,也就是轉化比大於1。   C、生產:設計專門用於大規模生產轉換元素,如鈽(核武等用)。轉換反應器(converter)類似滋生反應器,也是將可孕材料轉化成易裂材料,但轉化比小於1。   D、研究:提供中子、γ、及其他輻射以照射研究材料(含活體材料),作研究用。常見的如水池式反應爐(pool reactor或swimming pool reactor),燃料放在水池內,池水可兼做反設、緩和、冷卻用,設計簡單,是研究及訓練的好工具。   E、實驗:為獲得反應器動力學和構造之特性,以及其它有關資料,作為反應器之基本資料的實驗用反應器。實驗性滋生反應器(EBR, Experimental Breeder Reactor),建於美國愛達荷國家核子工程研究所內,有滋生反應器I型(EBR-I)發電量為1.4萬瓦,及滋生反應器II型(EBR-II),發電量為62.5百萬瓦。   IV、特殊用途:   A、高通量:高通量可在單位體積內產生更多的分裂反應,故可有更高的功率密度。   B、高溫:高溫可有更好的機械熱效率。   V、冷郤劑   A、氣冷反應器以空氣或CO2作為冷郤劑之反應器。計有四種:1.天然鈾U料、石墨緩和之大型混質反應器,2.天然鈾U料,重水緩和之大型混質反應器,3.低濃化鈾燃料、金屬護套之混質反應器,4.高溫運轉之固體均勻或半均勻反應器   B、水冷式反應器,以作緩和劑或兼冷卻劑分成:   i、輕水式反應器(light water reactor, LWR),以普通水作緩和劑並兼冷卻劑,燃料通常是稍濃化的UO2,又可分成壓水式(pressurized water reactor, PWR)及沸水式(boiling water reactor, BWR)沸水式反應爐反應器的水(兼作冷卻劑及緩和劑)可在爐心中沸騰,產生的蒸汽直接可推動渦輪機及發電機;壓水式則內迴圈維持高壓,高溫水將熱帶出到熱交換器,再在外迴圈產生蒸汽來推動渦輪機及發電機。   ii、重水反應器(heavy-water reactor, HWR)   利用重水減能的反應器,其燃料為低廉的天然鈾(不需濃化),加拿大氘鈾反應器CANDU,兼作冷卻劑及緩和劑。   C、液金快滋生反應器(liquid metal fast breeder reactor, LMFBR),利用融化液態金屬作冷卻劑(如鈉、鈉鉀合金等)的快滋生反應器,可利用快滋生反應器的高溫操作特性及金屬的良好導熱,但鈉等液金冷卻劑的化學反應活性也大,材料的設計考量上亦特別嚴格,也稱融鹽滋生反應器(molten salt breeder reactor, MSBR)。

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