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1 # 譚宏21
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2 # 小宇堂
要知道核電廠反應堆當中產生的那些輻射性粒子最後到哪裡去了,就需要先了解核反應堆內的各種控制和遮蔽結構,然後還需要了解各種常見的核衰變型別。
因為核電廠的核反應堆當中產生的輻射性粒子主要會經歷下述兩個轉化過程:
與反應堆當中堆芯內的各種控制設施或堆芯外的各種防護設施中的物質發生核反應(被其他物質吸收或轉化);
接下來,上述核反應產生的次級放射性產物將在一定的時間內自然衰變,並釋放出不同的粒子,進一步與其他環境物質發生核反應,這個過程不斷迴圈,並且在每一次迴圈中不斷釋放能量,直到最後所有短期的核衰變能量完全轉化為熱能。
核反應堆芯的結構世界各國開發了幾種不同型別的核反應堆,但它們都有一些共同的特徵。
所有這些反應堆都使用放射性燃料顆粒,其成分通常是氧化鈾,它們被製成棒狀,也就是我們經常聽到的燃料棒。
反應堆中配置有大量的反應媒介(或者中子減速劑),如石墨、清水或重水,他們的作用主要是吸收快中子體轉化為慢中子以維持反應的進行;
反應堆中還配置有相當數量的控制棒,主要由吸收中子的材料如鎘、鉿或硼製成,它們被按需插入反應堆芯中一定的深度以控制或停止反應。
此外,用於運輸熱量的清水或者重水或者氣體作為冷卻劑會與堆芯接觸併發生相關核反應。
上圖:壓水堆結構(壓水堆的特徵是有兩級冷卻劑)。
但反應媒介和控制棒和冷卻劑並不是反應堆當中僅有的物質,因為核裂變就是不斷分裂產生各種元素的過程,這裡順便說一下切爾諾貝利核洩漏事件。
切爾諾貝利核洩漏事件的根本原因就在於反應堆先前產生的氙氣積累使得反應堆中毒,功率無法上升,因此當工作人員錯誤地將控制棒完全抽出企圖恢復功率時,氙氣中毒短時間內越過峰值,反應堆迅速恢復功率,又遇到控制棒變形無法插入,導致了這場災難。
上圖:核反應堆中氙氣產生的路徑
堆芯外的防護設施反應堆是強大的輻射源,因為裂變和隨後的放射性衰變產生中子和伽馬射線,這兩者都是高度穿透性的輻射。反應堆在其周圍專門設計有遮蔽設施,以吸收和反射這種輻射,以保護技術人員和其他維護人員免於放射性暴露。
流行的研究用反應堆會將反應器放置在大深水池中來實施這種遮蔽。在其他型別的反應堆,將由圍繞反應堆系統建設的幾英尺厚的鋼筋混凝土結構作為護罩。護罩還可以含有重金屬,例如鉛或鋼,以更有效地吸收γ射線,並且混凝土本身也有類似的防護作用。
上圖:鋼筋加強的水泥護罩。
在堆芯和堆芯外的防護設施上發生的核反應於是核燃料棒產生的各種輻射會與控制棒、以及防護設施發生各種核反應:
在核反應堆當中可能的核反應方式的數量是很多的,但這些核反應是可以按型別分類的。
裂變反應:核裂變是原子核分裂成較小較輕的核核反應。裂變過程通常產生自由中子和光子(以伽馬射線的形式),並.釋放出大量的能量,這是核裂變反應堆工作的基本原理。 緊湊反應式:235U(n,3 n)裂變產物,意思是有235裂變產生三個中子。捕獲反應:帶電和中性粒子都可被原子核捕獲,並且伴隨ˠ射線的發射。而中子捕獲反應將產生放射性核素(誘導放射性)。 例如:238U(n,ˠ)239U,意思是U238吸收一箇中子,轉化為U239並釋放出伽馬射線,這是核反應堆伽馬射線的重要來源.彈性散射:當目標核與入射粒子之間沒有能量轉移時發生。
例如:208Pb(n,n)208Pb 意思是208Pb吸收一箇中子,然後又釋放一箇中子。這可能是中子撞到防護設施上的鉛板時會發生的情況。
非彈性散射:當能量轉移時發生。動能的差異在激發的核素中得以儲存。
例如:40Ca(α,α")40mCa,意思是鈣40原子吸收一個阿爾法粒子(氦核),再釋放一個低動能的氦核和一個獲得動能的鈣40原子。這可能是和廢料阿爾法衰變產生的阿爾法射線撞到水泥防護設施時發生的反應。
核衰變型別核衰變(又叫放射性衰變)是在不穩定的原子透過發射電離輻射而失去能量時發生。
當普通物質捕獲中子便會被誘導形成放射性同位素,這是在日本福島核電站核洩漏之後利用海水而不是純水來冷卻堆芯的一大後患。因為海水中溶解了大量的礦物質,這些物質捕獲中子之後就變成放射性的同位素,使得冷卻後的海水變得富含放射性,因此不得不用蓄水池裝起來,不能隨便排入海中。
放射性同位素會自發的衰變,並輻射出高能粒子。
放射性衰變是單原子水平上的隨機過程,但根據量子理論不可能預測特定原子何時會衰變。
放射性衰變有下面這些型別:
阿爾法衰變。 阿爾法粒子由兩個質子和兩個中子組成,這兩個中子結合在一起形成一個與氦原子核相同的粒子。由於其質量非常大(超過β粒子質量的7000倍)並帶電荷,因此它可以使材料重離子化,但其輻射範圍非常有限。β衰變。β粒子是由某些型別的放射性核素如鉀-40發射的高能量高速度的電子或正電子。 β粒子比α粒子具有更大的穿透範圍,但仍遠小於γ射線。這種衰變發射的β粒子是一種電離輻射,也稱為β射線。因此β粒子的產生被稱為β衰變。伽瑪衰變。伽馬射線是非常高頻率的電磁輻射,因此是一種極高能的光子。當核素從高能態轉變為低能態時,它們會產生此類衰變,稱為γ衰變。大多數核反應都伴隨有γ射線。中子發射。中子發射是原子核(特別是裂變產物)因釋放過量中子而形成的放射性衰變,在此過程中,中子只是從原子核中射出。這種型別的輻射在核反應堆控制中起著關鍵作用,因為這些中子屬於“緩發中子”。上圖:核素自發衰變的各種形式
核反應堆產生的中微子核反應堆也會產生大量的中微子,但因為中微子基本不和普通物質發生互動,因此可以穿透整個反應堆,輻射到周圍環境,穿過地球,乃至進入外太空。
在大亞灣核電站周圍,中國的科研機構就建立了中微子實驗室,已研究和反應堆產生的中微子以及中微子震盪現象。
上圖:大亞灣核電站實驗觀察點的佈局
總結所以,對於核反應堆輻射出的大部分放射性粒子,基本上都與堆芯或者堆芯外的防護設施發生了核反應,並被侷限在防護設施內(其能量最終都轉化為熱能),這是核裂變反應堆的安全保障。只有核反應堆產生的中微子能夠穿透反應堆的外殼和防護設施,並且能夠被科研裝置探索到(雖然很難)。
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3 # 極化中心
中子衰變為質子(氫原子核,無害),β射線釋放動能變為電子。少部分中子、β射線和大部分γ射線被外壁或者堆芯吸收了
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核反應分核聚變反應和核裂變反應。核聚變反應現在只能用於制氫彈,建核電站進行常規發電是不行的。核裂變反應就是造原子彈的反應,現在可常規應用,建核電站發電。你說的核電廠輻射粒子是核裂變後產生的輻射粒子。
物質世界就是這樣相互的碰來碰去,使物質的拓撲形式不斷變化、破裂。當物質拓撲形式變化時,根據其“拓撲層次”,就會釋放出相應能量,以光子、電磁波等玻色子運動形式形成的能量形式,和以費米子運動形式形成的能量形式。
化學反應產生的能量,是原子級物質拓撲形變產生的微波~可見光能量,以及原子運動形成的熱能。
原子核反應產生的能量,是原子核級物質拓撲形變產生的x射線~伽瑪射線能量,以及原子核、中子、質子運動形成的能量,這種核子、中子、質子等費米子運動能,我們通常叫它為輻射能、硬輻射,而把玻色子運動能,如光、電磁波、x射線(軟x射線)、伽瑪射線,叫軟輻射。這主要是由於輻射損傷程度或動能大小劃分。
核聚變反應,一般說來,幾乎沒硬輻射,主要以伽瑪射線和阿爾法射線形式放能,阿爾法射線其實就是聚變的氦核,是可獨立存在的元素。
核裂變反應主要是鈾235裂變放出軟、硬射線輻射能。其中硬射線主要是自由中子。那麼,你所說的輻射粒子去向,主要就是指自由中子的去向。自由中子很快就衰變為質子和電子。這時,自電子和質子主要被重水吸收,它們不容易結合進其它原子核中,最大的可能是形成氫原子,這樣就是自然界穩定存在元素,輻射破壞作用就消失了。否則,自由質子就是最具破壞性的硬輻射,可以存在相當長時間。所謂核輻射汙染、核沾染主要就是指自由中子、質子、電子,對生命物質的變異破壞作用。
目前看,吸收核裂變汙染最好的辦法就是重水吸收。
個人的一點“看法、演繹”,僅供參考。