原子能反應堆

核裂變，打開原子核的結合力。

核聚變，原子的粒子熔合在一起。核衰變，自然的慢得多的裂變形式。

原子由帶正電荷的原子核和核外帶負電荷的電子組成。普通化學反應的熱效應來源於外層電子重排時鍵能的變化，而原子核及內層電子並沒有變化。另外還有一類反應的熱效應卻來源於原子核的變化，這類反應叫核反應。核反應可分為核衰變、核裂變和核聚變三大類。

為了能在正常環境下把核反應釋放的核能安全地應用到日常生活、生產中，多由於發電，所需要採取的設施，即核燃料和控制棒組成的反應堆，俗稱原子能反應堆。

1942年12月2日美國曼哈頓計劃期間，義大利物理學家恩利克·費米領導的研究組人員全體集合在美國芝加哥大學Stagger Field 的一個巨大石墨型反應堆前面。這時由費米發出信號，緊接著從那座埋沒在石墨之間的7噸鈾燃料構成的巨大反應堆里，控制棒緩慢地被拔了出來，隨著計數器發出了咔嚓咔嚓的響聲，到控制棒上升到一定程度，計數器的聲音響成了一片，這說明連鎖反應開始了。這是人類第一次釋放並控制了原子能的時刻，這個反應堆被命名為“芝加哥一號堆"（Chicago Pile-1），它標誌著原子能反應堆的誕生。

1949年之後，前蘇聯、英國、法國、日本都相繼建成了原子能反應堆。1954年前蘇聯建成世界上第一座原子能發電站利用濃縮鈾作燃料，採用石墨水冷堆，電輸出功率為5000千瓦。1956年，英國也建成了原子能電站。

1981年1月15日，中國第一座原子能反應堆改建成功。這座反應堆是1956年5月開始興建的，兩年後正式運轉。反應堆是使原子核分裂維持鏈式反應的一種裝置，是當時利用原子核內部能量的主要形式。反應堆釋放出的熱能可以用來發電，作為輪船、火車、飛機等的動力裝置。利用反應堆可以製造同位素和進行科學研究。中國第一座原子能反應堆的主要用途就是進行科學試驗和製造同位素。它是用鈾做燃料，用重水作慢化劑和導熱劑，所以叫做實驗性重水型反應堆。它的建成是中國開始跨入原子能時代的標誌。這座反應堆的熱功率是7千至1萬千瓦。反應堆經改建后運轉正常，加強功率比改建前提高了50%，最大熱中子通量增加了一倍多，反應堆的輻照空間也增加了2.6倍，仍用低濃度鈾作為燃料。

到2030年左右，日美歐各國現在運行的核電站原子能反應堆大部分即將到期並將陸續退役。面對這種嚴峻局面，日本、歐美目前都在加緊研發新一代原子能反應堆。

例如日本東京大學正和加拿大共同研發的“超臨界水反應堆”，其冷卻劑使用“超臨界水”。這種水既具有液體性質又具有氣體性質，熱傳導效率遠遠優於普通的“輕水”。東京大學的岡芳明教授說：超臨界水反應堆“只有一般反應堆的一半大小，建設費可節約30%－40%，發電費用可降低30%”。他們開發的目標是2030年達到實用化水平。

日本原子能研究所則將開發重點放在新型增殖快堆上。這種新型增殖快堆稱為“低減速頻譜反應堆”，其原理和“文殊號”增殖快堆相同。“文殊號”快堆自1995年發生液鈉泄漏事故以來，現在仍未恢復運轉。為了增加反應堆的安全性，控制發電成本，新型增殖快堆的冷卻劑不再採用液鈉而改用水。目前，日本把這種水增殖快堆作為普通反應堆向液鈉增殖快堆過渡的一種反應堆來進行開發。有了這種反應堆，用中子撞擊核電站核廢料的鈈238就可以得到熱發電，同時也可產生能作為燃料的鈈239。

法國正在研究開發“超高溫氣體反應堆”和“氣體高速反應堆”。“超高溫氣體反應堆”利用1000℃以上的氣體，“氣體高速反應堆”則利用1000℃以下的氣體。另外，法國還在研究開發“溶融鹽反應堆”，試圖利用含鋰和鈾的高溫溶融鹽發電。

英國提出的液鈉冷卻高速增殖快堆仍十分受重視，關鍵是增加了液鈉使用中的安全性。俄羅斯研究開發的是“鉛冷卻反應堆”，與液鈉相比，液態鉛的安全性要高得多。

美國自1999年開始實施“第四代計劃”，在開發新型反應堆的同時，加強了核廢料的循環再利用研究。2002年7月，美國在下述三原則的前提下決定了6種新型反應堆研究開發的方針。三原則為：1、發電成本、建設費用低廉；2、不易發生事故；3、核廢料難以轉用於武器製造。其選擇的6種新型反應堆為：超高溫反應堆、氣體高速反應堆、超臨界水反應堆、鉛冷卻反應堆、鈉冷卻反應堆及溶融鹽反應堆。