核反應爐

核反應爐

核反應爐（Nuclear Reactor），又稱原子爐，是一種能夠控制核裂變或核聚變反應的裝置，用於產生能量或進行科學研究。核反應爐通過鏈式反應釋放大量能量，這些能量可以轉化為電能，為人類提供清潔、高效的電力來源。核反應爐的核心部分包含核燃料、減速劑、冷卻劑和控制系統等關鍵組件。

核反應爐的工作原理基於核裂變或核聚變過程。目前大多數商用核反應爐採用核裂變技術，主要使用鈾-235或鈈-239作為燃料。當這些重原子核被中子撞擊時，會發生分裂，釋放大量能量和額外的中子，從而引發鏈式反應。反應過程中產生的熱能通過冷卻劑傳遞至蒸汽發生器，驅動渦輪發電機產生電力。

壓水反應爐（PWR）

壓水反應爐是目前最常見的商用核反應爐類型。其特點是使用普通水作為冷卻劑和減速劑，並在高壓下運行以防止水沸騰。壓水反應爐具有較高的安全性和穩定性。

沸水反應爐（BWR）

沸水反應爐與壓水反應爐類似，但允許冷卻水在反應爐核心內沸騰，產生的蒸汽直接用於驅動渦輪發電機。這種設計簡化了系統，但可能增加放射性物質洩漏的風險。

重水反應爐（HWR）

重水反應爐使用重水（D₂O）作為減速劑，能夠利用天然鈾作為燃料，無需濃縮。加拿大設計的CANDU反應爐是重水反應爐的代表。

快中子增殖反應爐（FBR）

快中子增殖反應爐使用快中子引發裂變，並能夠產生多於消耗的核燃料（如鈈-239），從而實現燃料的增殖。這種反應爐具有更高的燃料利用率，但技術難度較大。

核燃料

核燃料通常為鈾的氧化物（如UO₂），製成燃料棒或燃料球。燃料中可裂變物質的濃度決定了反應爐的效率和功率。

減速劑

減速劑用於減慢中子速度，提高裂變反應的效率。常見的減速劑包括普通水、重水和石墨。

冷卻劑

冷卻劑負責將反應爐核心產生的熱能傳遞至外部系統。常用的冷卻劑有水、重水、液態金屬（如鈉）和氣體（如二氧化碳或氦氣）。

控制棒

控制棒由能夠吸收中子的材料（如鎘或硼）製成，通過插入或抽出反應爐核心來調節鏈式反應的速率，確保反應爐安全運行。

安全殼

安全殼是反應爐的最外層防護結構，通常由鋼筋混凝土製成，用於防止放射性物質洩漏到環境中。

發電

核反應爐最主要的應用是發電。核電站通過核能產生蒸汽，驅動渦輪發電機組，為電網提供大量基載電力。

科研與醫療

研究用反應爐用於中子散射實驗、同位素生產和材料研究。醫療領域中，反應爐生產的放射性同位素用於癌症治療和醫學影像。

軍事用途

某些核反應爐用於生產武器級鈈或為核潛艇、航空母艦等軍事裝備提供動力。

安全措施

現代核反應爐設計包含多重安全系統，如緊急停堆系統、餘熱排出系統和應急冷卻系統，以應對各種事故場景。

放射性廢料處理

核反應爐運轉會產生高放射性廢料，需經過固化、封裝後深地質處置。中低放射性廢料則可通過近地表處置或再處理降低危害。

環境影響

正常運行的核電站溫室氣體排放極低，但核事故（如切爾諾貝利和福島）可能造成嚴重的環境污染。因此，核安全始終是核能利用的首要考量。

第三代與第四代反應爐

第三代反應爐（如AP1000、EPR）強調被動安全系統和更高的效率。第四代反應爐（如鈉冷快堆、超高溫氣冷堆）目標是提升安全性、減少廢料並實現燃料增殖。

小型模組化反應爐（SMR）

SMR具有建造週期短、成本低和靈活部署等優勢，適合偏遠地區或小型電網，被視為核能發展的重要方向。

核聚變反應爐

核聚變反應爐（如ITER項目）模仿太陽的能量產生機制，以氫同位素為燃料，理論上具有清潔、安全的特點，但目前仍處於實驗階段。

核反應爐技術的進步將在未來能源結構中扮演重要角色，為全球減碳目標提供關鍵支持。