減速劑

減速劑是核反應中用來降低快速運動的中子速度，使快中子減速為熱中子，從而提高裂變反應的幾率的物質。核反應所產生的中子運動速度過快不適用於引起核裂變，這些快速運動的中子必須在被核燃料吸收發生核反應之前將運動速度減慢，通常的方法是使用減速劑，即中子與減速劑的原子核發生碰撞而使速度降低。選擇減速劑的條件是既不吸收中子也不與中子發生核反應。主要的減速劑包括重水、石墨、輕水、鈹等。

基本介紹

• 中文名：減速劑
• 外文名：moderator
• 套用：核能
• 涉及學科：核化學

簡介

減速劑，又稱中子減速劑。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，就必須要將中子的飛行速度降下來，這時就會使用中子減速劑，對慢化劑的要求是對中子鈹有較高的散射截面和低的吸收截面。常用的固體減速劑有石墨（C）、鈹（Be）、氧化鈹（BeO）等，常見的液體減速劑有有輕水（H2O）、重水（D2O）等。

在核反應堆內U等核分裂物質在分裂時，放出的中子速度秒速約3萬km(能量平均約為2MeV)，很難命中原子核，所以為提高核分裂的幾率，繼續維持連鎖反應，則必須減緩中子速度，使之變為秒速2000m的低速中子即所謂熱中子(能量約為0.025ev)。減速材料的用途就是把這種高速中子減緩成慢中子

重水減速劑

重水簡介

重水（氘，D2O），重水與普通水看起來十分相像，是無臭無味的液體，它們的化學性質也一樣，不過某些物理性質卻不相同。普通水的密度為1克/立方厘米，而重水的密度為1.056克/立方厘米；普通水的沸點為100℃，重水的沸點為101.42℃；普通水的冰點為0℃，重水的冰點為 3.8℃。參與化學反應的速率比普通水緩慢、重水的一個分子是由兩個重氫原子和一個氧原子組成，相對分子質量是20。

此外，普通水能夠滋養生命，培育萬物，而重水則不能使種子發芽。人和動物若是喝了重水，還會引起死亡。

減速劑套用

重水的特殊價值體現在原子能技術套用中。製造威力巨大的核武器，就需要重水來作為原子核裂變反應中的減速劑，作中子的減速劑，也可作為制重氫的材料，普通水中含量約為0.02%（質量分數）。重水主要用於核反應堆中作減速劑，它可以減小中子的速率，使之符合發生裂變過程的需要。

重水和普通水一樣，也是由氫和氧化合而成的液體化合物，不過，重水分子和普通水分子的氫原子有所不同。重水（氘，D2O）的吸收截面小，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，還要細心防止泄漏損失、污染和與氫化物發生同位素交換。重水的減速能力為0.18cm，減速比為2100倍，減速長度為100cm，徙動長度為101cm。

用重水即氧化氘（D2O）作為減速劑的核反應堆被稱為重水反應堆，或簡稱為重水堆。不過，重水反應堆不單可以使用普通鈾，而且會把鈾238轉化成為可製作核彈的鈽。印度、巴基斯坦、以色列、北韓都是以這樣方法製造核燃料。為了防止核子武器擴散，重水的生產和出售在很多國家都受到限制。

重水的製備

重水外觀上和普通水相似，是無色、無嗅無味的液體．密度比普通水大，熔點、沸點比普通水高．由於重水分子量大，運動速度慢，所以在高山上的冰雪中，特別是在南極的冰雪中重水含量微乎其微，水(氧化氫)的密度最小，是地球上最輕的水。重水在自然界中分布較少，在普通水中約含重水0.015%。由於含量少，製備難，所以它的售價較高（約16元/毫升）。

地球上的水約有3,200分之一是半重水（HDO）。半重水可以透過電解及蒸餾，生產重水或以化學方法從普通水中提煉出來。可以使用化學方法，是因為重氫及普通氫原子由於質量稍為不同，所以化學反應的速度有異。當水中的半重水到了相當的濃度，重水便會因為水分子之間交換氫原子而慢慢出現。要從半重水再提煉純正的重水亦可使用電解、蒸餾及化學方法。但是電解及蒸餾所需要的能量會非常巨大，因此一般這一步只會使用化學方法。

石墨減速劑

石墨簡介

石墨是元素碳的一種同素異形體，每個碳原子的周邊連結著另外三個碳原子（排列方式呈蜂巢式的多個六邊形）以共價鍵結合，構成共價分子。由於每個碳原子均會放出一個電子，那些電子能夠自由移動，因此石墨屬於導電體。

石墨優缺點

石墨作為反應堆材料的優缺點如下：

(1)石墨具有較高的散射截面和極低的熱中子吸收截面，較高的散射截面用以慢化中子，低的吸收截面防止中子被吸收，使得核反應堆能夠利用少量燃料達到臨界或正常運行。

(2)石墨是耐高溫材料，它的三相點，15MPa時為4024℃，因此不能採用熔化、鑄造、鍛造等熱加工方法製造而只能採用類似粉末冶金的方法。它不像金屬那樣強度隨溫度而下降，而是略有增加，在2000℃以下套用，不會出現問題。

(3)石墨有良好的導熱性能，在堆內可以有效地降低溫度梯度，不致產生太大的熱應力。

(4)石墨化學性質非常穩定。除了高溫下的氧化、水蒸氣外，可以耐酸、鹼、鹽的腐蝕，因而可以用作熔鹽核反應堆和鈾鉍核反應堆的堆芯構件。

(5)石墨抗輻照性能極好，能長期在堆內服役30～40年。

(6)石墨可加工性好，可以加工成各種形狀的構件。

(7)石墨原料豐富，價格便宜，容易製成純度高、強度大、不同密度要求的各種核石墨，但石墨也有缺點，它是各向異性晶體結構，成層狀分布，原子密集於a、b晶面，同層原子最近距離為0.141nm，相互為共價結合，具有較強的結合力；而層距離為0.335nm，層間結合力為范德瓦爾力，結合力較弱。這種各向異性在石墨的物理、強度、輻照等行為中都會強烈地表現出來。

核石墨生產目前核石墨生產基本上是在普通人造石墨生產工藝基礎上開展起來的。針對核石墨需要高純度、高密度、各向異性小的特點，對現行的石墨生產工藝、原料和設備加以改進，使之達到生產核石墨的要求。

核石墨生產的主要問題

核石墨生產有4個主要問題，即高純度、高密度、各向異性和機械加工。

(1)高純度。核石墨減速劑的純度是最被重視的特性之一。首先選用純度高、雜質含量少的石油焦和煤瀝青作原料。原料雜質中硼含量要低，因1×10的硼含量相當於增加lmb的截面，高溫石墨化大多數金屬雜質在2800～3000℃揮發，而硼高於3000℃亦難除去，因硼與碳形成B4C3。對原料中硼含量要求極其嚴格，除原料外在生產中先後經10多道工序減少外來的雜質和合理工藝制度也是十分重要的。

(2)高密度。核石墨應有較高的密度，一般控制在1.79/cm左右，基本上能滿足石墨堆運行要求，石墨的體積密度表示慢化劑的有效慢化率，密度降低則單位體積內的原子數減少，慢化率也就降低。

(3)各向異性小。石墨用於核反應堆時，由於溫度上升產生熱膨脹和輻照引起的維格納(Wigner)生長。這種現象在垂直於擠壓方向表現甚大，而平行於擠壓方向表現較小，則石墨塊不能按原始形狀同樣比例膨脹。因而石墨這種各向異性膨脹在由許多石墨塊堆積而成的慢化層的結構是不能忽視的。石墨各向異性主要是由於石墨晶體結構具有極度的各向異性性質所致。另一方面在擠壓成型時焦炭顆粒的排列對製品的各向異性也具有決定性的影響，因此要在成型過程中採取措施減少各向異性度。

(4)機械加工。石墨減速層和反射層是由經過精加工的塊狀堆砌而成的。石墨砌體中有供燃料棒、控制棒、儀器和試驗用的各種孔道，這些孔道均有準確的尺寸，此外所有的石墨塊砌體能防止中子流和冷卻氣體的泄漏。為此核石墨加工比任何石墨製品加工要求有更高的精密度。實際上要求精度在幾絲之內。為保證產品加工精度設有專用高精度加工工具機。

減速劑套用

石墨是熱中子反應堆中作減速劑的重要材料之一。石墨的熱中子吸收截面小，散射截面大，用石墨作慢化劑的反應堆可用天然鈾作燎料。石墨成本低，傳導性與金屬相近，強度適中，能在高溫下使用。石墨的減速能力為0.065cm，減速比為200倍，減速長度為50cm，徙動長度為54cm。石墨慢化中子的能力較差（比重水能力差），因此堆芯體積建造得比較大，石墨受中子作用，內部會積累大量潛能，需要定期退火消除。

但石墨價格便宜，而且又是耐高溫材料，可用於非氧化氣氛的高溫堆中。因此與重水一起被作為最常用的減速劑。

輕水減速劑

輕水簡介

相對分子質量為1的H原子和相對分子質量為16的O原子構成的水。其相對分子質量為18。另外，還有相對分子質量為20，22等的水。為了與重水(D2O)區別，目前將普通水稱為輕水。普通水(H2O)經過淨化，用做反應堆的冷卻劑和中子的減速劑，叫做輕水。

輕水反應堆

輕水反應堆（英文：Light Water Reactor，LWR）是以水和汽水混合物作為冷卻劑和慢化劑的反應堆，是和平利用核能的一種方式。輕水堆就堆內載出核裂變熱能的方式可分為壓水堆和沸水堆兩種，是目前國際上多數核電站所採用的兩種堆型。

水是使核反應堆中產生的中子減速的最好材料之一。據統計，1992年運行的413座核電站中，輕水堆核電站約占64.15%，裝機容量約占80%，加上正在建設和已經訂貨的輕水堆核電站將占80%，裝機容量將占90%。

輕水反應堆結構材料包括燃料包殼、堆芯構件、反應堆容器、熱交換器和主迴路管道等所用的材料。其中對包殼材料的性能要求最嚴。熱中子堆的包殼材料一般使用鋁合金、鎂合金和鋯合金。快中子堆包殼材料範圍比較寬。鋁、鎂合金是較早使用的結構材料，由於其熔點低，只能用於低溫。鋯合金在高溫下強度好，在高溫純水中的耐腐蝕性接近不鏽鋼，而其中子吸收截面卻只有不鏽鋼的1/15，是目前水冷動力堆中廣泛使用的結構材料。奧氏體不鏽鋼在高溫下的強度和抗腐蝕性能都很好，且價格比較便宜，也用作燃料元件包殼和其他結構材料。低合金鋼和碳鋼普遍用於製作核反應堆壓力容器。此外，可用作結構材料的還有鎳、鈦、鈮、釩等合金。

減速劑套用

輕水（H2O）是含氫物質，慢化能力大，價格低廉，但吸收截面較大。輕水的減速能力為1.5cm，減速比為70，減速長度為2.88cm，徙動長度為6.4cm。輕水與重水和石墨相比，其減速能力較大，減速長度短，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，使減速比下降。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。

鈹慢化劑

鈹介紹

鈹和鋰一樣，在空氣中形成保護性氧化層，故在空氣中即使紅熱時也很穩定。不溶於冷水，微溶於熱水，可溶於稀鹽酸，稀硫酸和氫氧化鉀溶液而放出氫。金屬鈹對於無氧的金屬鈉即使在較高的溫度下，也有明顯的抗腐蝕性。鈹價態為正2價，可以形成聚合物以及具有顯著熱穩定性的一類共價化合物。

Be原子的價電子層結構為2s2，它的原子半徑為89pm，Be2+離子半徑

鈹單質

為31pm，Be的電負性為1.57。鈹由於原子半徑和離子半徑特別小（不僅小於同族的其它元素，還小於鹼金屬元素），電負性又相對較高（不僅高於鹼金屬元素，也高於同族其它各元素），所以鈹形成共價鍵的傾向比較顯著，不像同族其它元素主要形成離子型化合物。因此鈹常表現出不同於同族其它元素的反常性質。

（1）鈹由於表面易形成緻密的保護膜而不與水作用，而同族其它金屬鎂、鈣、鍶、鋇均易與水反應。

（2）氫氧化鈹是兩性的，而同族其它元素的氫氧化物均是中強鹼或強鹼性的。

（3）鈹鹽強烈地水解生成四面體型的離子[Be(H2O)2]2+，Be-O鍵很強，這就削弱了O-H鍵，因此水合鈹離子有失去質子的傾向：

因此鈹鹽在純水中是酸性的。而同族其它元素（鎂除外）的鹽均沒有水解作用。

減速劑套用

鈹的熱中子吸收截面小，為9×10-31m2(9mb)，散射截面大為7×10-28m2(7b)，減速能力為0.16cm，減速比為130，減速長度為9.2cm。鈹是熱中子反應堆的良好的減速劑。金屬鈹性脆，難以加工，有毒性，高溫抗氧化性能較差。在輻照下會發生體積增大和導熱性能降低的現象。

鈹的優缺點

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。