核反應爐（Nuclear Reactor）─冷卻 （Cooling）和反應率控制 (Reactivity control)

核反應爐（Nuclear Reactor）─冷卻 （Cooling）和反應率控制 (Reactivity control)
大葉大學機械與自動化工程學系吳佩學副教授/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 核反應爐與核武器最大的不同處？

2. 如何控制核反應速率？

核反應爐是一種啟動、控制並維持核裂變(Nuclear fission)或核融合(Nuclear fusion)反應的裝置。核反應爐與核武器最大的不同處是，核武爆炸瞬間所發生的是失控鏈式反應，但在反應爐之中，核變的速率可以得到精確的控制，其能量能夠以較慢的速度向外釋放，供人們利用。

核反應爐有許多用途，當前最重要的用途是產生熱能，用以代替其他燃料加熱水，產生蒸汽發電或驅動航空母艦等設施運轉。當前全部商業核反應爐都是來自核裂變的，其裂變產物可以生產核武器之中使用的鈽。

和傳統的熱電站一樣，核電廠也是通過蒸氣機驅動發電機發電 （圖1）。但是在核電廠裡，熱能是由核裂變的碎片的反衝能轉化而來的。核反應爐內因具有衰變熱，核能電廠停機後仍須保持冷卻。

圖1：和傳統的火力電站一樣，核電廠也是通過蒸氣機驅動發電機發電。因具有衰變熱，核能電廠停機後仍須保持冷卻。 （圖片來源：《核能發電概述》）

熱能的產生：

在反應爐裡，熱能主要有以下幾個來源：

• 反應碎片通過和周圍原子的碰撞，把自身的動能傳遞給周圍的原子。
• 裂變反應產生的伽瑪射線被反應爐吸收，轉化為熱能。
• 反應爐的一些材料在中子的照射下被活化，產生一些放射性的元素。這些元素的衰變能轉化為熱能。這種衰變熱會在反應爐關閉後仍然存在一段時間。

冷卻：

在反應爐裡，一般用水做冷卻劑（coolant）（輕水或重水），也有用氣體或融鹽的。冷卻劑通過泵浦在爐心裡循環流動，同時把通過裂變產生的熱傳遞出來。一般的反應爐的冷卻系統和熱機是分開的，例如壓水堆。也有的反應爐，蒸氣是從反應爐直接加熱得到的，例如沸水反應爐。

圖2：核能發電原理圖示。 （圖片來源：《核能發電概述》）

反應率控制 (Reactivity control)：

反應爐的輸出功率，或者說反應率，是通過控制爐心內的中子密度和能量來控制的。控制棒（control rod）由中子強吸收材料(neutron poison)做成。如果有很多的中子被控制棒吸收，就少一些中子引發鏈式反應。因此，把控制棒插入爐心，將會減慢反應速率，降低輸出功率。相反，將控制棒抽出，鏈式反應的速率將會增加，輸出功率也會增加。

冷卻劑也可以讓反應慢下來，扮演中子慢化劑（neutron moderator）的角色。慢化劑和快中子的碰撞，吸收中子的能量，使快中子能量降低，成為熱中子。而熱中子引發核反應的截面更大些。因此慢化劑密度高，將會增加反應爐的功率輸出。而溫度高，冷卻劑的密度會降低，慢化作用降低，反應速率下降。有些反應爐裡，冷卻劑會吸收中子，執行控制棒的作用。在這些反應爐裡，可以通過加熱冷卻劑來提高反應爐的功率。

反應爐都有自動和手動的系統（稱為SCRAM）來防止意外事件的發生，當出現意外事件時，將有大量的中子強吸收材料注入，使反應爐關閉。

圖3：福島第一核電廠1至5號機使用的典型沸水反應爐馬克1號截面圖。冷卻和控制系統是核能安全的關鍵。 （圖片來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A6%8F%E5%B3%B6%E6%A0%B8%E4%BA%8B%E6%95%85）

圖片說明：
橘色曲線勾勒出主要圍阻體輪廓， 1：爐芯包含燃料棒與反應控制棒39，2：混凝土屏蔽塞，可開啟更換燃料5：用過燃料池，8：壓力槽，10：混凝土屏蔽牆，11：乾井，18：水（濕 井），19：圍阻體，20：底部基座，21：反應爐外建築物，22：燃料更換平台，24：抑壓室，25：排氣口，26：起重機，用來搬運燃料棒及替換組 件，27用過燃料，28：冷凝液管，29：冷水管，來自渦輪發電機組，30：蒸氣管，往渦輪發電機組，31：反應控制棒驅動，可調整反應控制棒插入深度以 調節反應，39：反應控制棒。抑壓室在底部基座周圍形成一個環形槽。

參考資料：
1. 原子能委員會核能管制處: 《核能發電概述》（http://www.aec.gov.tw/www/service/other/files/book_19.pdf）
2. 英文維基百科：Nuclear reactor technology （http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_reactor）
3. 中文維基百科：核反應爐 （http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B8%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%A0%86）