【地震特辑】“临界”是什么意思?

  物理, 评论

最近的媒体报道中大量提到了“临界”和“再临界”。临界是个核能术语,指的是系统里中子的平衡。“次临界”指的是系统中失去中子的速率大于制造中子的速率,因此次临界系统里中子的总数是随时间减少的。“超临界”指的是系统里制造中子的速率大于失去中子的速率,因此超临界系统里中子的总数是随时间增加的。当中子总数恒定时,制造中子与失去中子达到完全平衡,此时核反应系统就叫做“临界状态”。通过比较制造中子(裂变和其它来源)和失去中子(吸收、从反应核心泄漏),可以计算出系统是否处在临界状态。核反应堆就是一个能够控制中子平衡、保持临界状态的系统。

反应堆的功率与中子数量直接成正比。系统中的中子越多,就会发生更多裂变,制造更多能量。反应堆刚开始工作时,中子数量在可控状况下缓慢增加,也就是说制造中子比丢失中子更快,反应堆处在超临界状态。这使得中子数目增加,制造的能量也越来越多。当功率达到所需水平后,反应堆转换为临界配置,保持中子数目和功率恒定。最终,当需要关闭反应时,反应堆转换为次临界配置,中子数目和功率会减小。因此,当一个反应堆“处于临界状态”时,它实际上正在稳定运行,产生恒定能量。

在正常发电运转中,反应堆总保持临界状态。在其它系统,例如乏燃料池中,有一些防止达到临界状态的机制。如果这样的系统达到了临界状态,就被称作“再临界”。硼和其它材料会吸收中子,他们可以防止再临界的产生。增加的中子吸收剂能够大大增加失去中子的速率,从而保持次临界状态。

对于许多轻水反应堆(包括日本的沸水堆)来说,水的作用不仅是冷却,还可以减缓中子的速度。在这些系统中,大部分裂变反应是由慢中子引发的。因此,如果水沸腾气化了,中子就不再变慢,裂变反应的概率也会降低,从而发电功率降低,核反应系统就会变为次临界状态。

如果沸水堆或乏燃料池没有冷却,水被加热蒸发,那么水温上升和水的气化会让系统处于次临界状态。这些系统中还有大量的硼,例如反应堆中的控制棒和乏燃料池中各式各样的硼。此外,支撑乏燃料池的钢结构有时也由硼钢制成,它也含有大量的硼。即使燃料棒熔化了,它的新几何结构也不适合慢中子,因此即使向系统中重新加入水,也不太可能发生再临界。

原文看这里

专业视角解读日本地震、核泄漏,请点击果壳 【地震特辑】

关于地震、核泄漏的更多问题, 向【果壳问答】提问

LEAVE A COMMENT

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.