反應堆慢化劑

反應堆慢化劑（moderator），又稱中子減速劑，是熱中子反應堆內用作降低快中子能量的材料。

基本介紹

• 中文名：慢化劑
• 外文名：moderator
• 學科：功能材料

概述

在一般情況下，可裂變核發射出的中子的飛行速度比其被其它可裂變核的捕獲的中子速度要快，因此為了產生鏈式反應，就必須要降低中子的能量，用來降低中子能量的物質就是慢化劑。核裂變產生的中子是平均能量約為2MeV的快中子，熱中子反應堆中引起裂變反應的主要是能量在0.1MeV以下的熱中子，因此熱中子反應堆中使用慢化劑使快中子慢化成熱中子。

原理

中子慢化是通過原子核與中子之間的碰撞來實現的。裂變中子經過與材料核的碰撞，能量很快降到非彈性散射閾能以下，熱中子堆的中子慢化過程以彈性散射為主。快中子與慢化劑材料核發生彈性散射，動量、能量均守恆，碰撞後中子能量降低，常以中子平均對數能降來表示中子能量降低的程度。經過多次彈性散射之後，快中子就慢化為熱中子。

慢化劑要求

對反應堆慢化劑材料的性能要求是：（1）具有較大的中子散射截面，慢化中子能力強；（2）具有較小的中子吸收截面，吸收中子少；（3）與反應堆冷卻劑材料及燃料（棒）包殼材料有良好相容性；（4）核輻照性能穩定。通常用慢化比來全面衡量慢化材料的性能，慢化比=ξΣs/Σa，式中ξΣs為材料的中子慢化能力；ξ為中子平均對數能降；Σs為材料的巨觀散射截面；Σa為材料的巨觀吸收截面。

此外，固體慢化劑還要求傳熱性能好，結構強度高，抗腐蝕性能好，易於加工。液體慢化劑要求具有良好的傳熱性能和熱穩定性，不腐蝕結構材料，熔點在室溫以下，高溫時具有低的蒸汽壓。

主要慢化劑材料

常用的固體慢化劑有石墨（C）、鈹（Be）、氧化鈹（BeO）等，常見的液體慢化劑有有輕水（H₂O）、重水（D₂O）等，其性能見表。

慢化材料的慢化性能

性能	單位	輕水	重水	石墨	鈹
密度	kg/m	1000	1100	1700	1840
微觀散射截面	b	49	10.5	4.8	7.0
巨觀散射截面	cm	1.64	0.35	0.41	0.86
微觀吸收截面	b	0.66	0.0026	0.0037	0.010
巨觀吸收截面	cm	0.022	0.000085	0.00034	0.00123
慢化能力ξΣs	cm	1.5	0.18	0.065	0.16
慢化比ξΣs/Σa		70	2100	200	130
慢化長度L	cm	2.88	100	50	9.2
徙動長度M	cm	6.4	101	54

輕水：與重水和石墨相比，其慢化能力較大，慢化長度短，這使反應堆體積緊湊。特別是其價格低廉，容易獲得。但輕水的中子吸收截面較大，使慢化比下降。因此，輕水反應堆需用低富集鈾作燃料。輕水對金屬有腐蝕作用，易發生輻射分解。

重水：吸收截面小，慢化比最大，並可發生（ γ，n ）反應而為鏈式反應提供中子。缺點是價格昂貴。另外重水中氘吸收中子會生成放射性的氚，還要細心防止泄漏損失、污染和與氫化物發生同位素交換。

石墨：慢化比僅次於重水。價格便宜。耐高溫材料，在高溫條件下強度高，用氣體冷卻時可以得到高的反應堆冷卻劑溫度，可用於非氧化氣氛的高溫堆中，常作為氣冷堆的慢化劑兼結構材料。輻照會引起石墨的熱導率下降、尺寸變化。

鈹和氧化鈹：較好的慢化劑和反射層材料。慢化能力大，高溫強度好，熔點、熱導率、比熱都比較高，所以適用於高溫反應堆，較強的抗腐蝕能力，尤其在二氧化碳中穩定性良好。鈹的慢化長度較短，用作慢化劑可縮小堆芯尺寸。缺點是較脆、難於加工、輻照性能差，且鈹有毒、價格貴。在濕空氣中加熱會生成毒性的氫氧化鈹揮發物，比金屬鈹更難於加工。