减速剂

核反应中用来降低快速运动的中子速度，使快中子减速为热中子，从而提高裂变反应的几率的物质

减速剂是核反应中用来降低快速运动的中子速度，使快中子减速为热中子，从而提高裂变反应的几率的物质。核反应所产生的中子运动速度过快不适用于引起核裂变，这些快速运动的中子必须在被核燃料吸收发生核反应之前将运动速度减慢，通常的方法是使用减速剂，即中子与减速剂的原子核发生碰撞而使速度降低。选择减速剂的条件是既不吸收中子也不与中子发生核反应。主要的减速剂包括重水、石墨、轻水、铍等。

简介

减速剂，又称中子减速剂。在一般情况下，可裂变核发射出的中子的飞行速度比其被其它可裂变核的捕获的中子速度要快，因此为了产生链式反应，就必须要将中子的飞行速度降下来，这时就会使用中子减速剂，对慢化剂的要求是对中子铍有较高的散射截面和低的吸收截面。常用的固体减速剂有石墨（C）、铍（Be）、氧化铍（BeO）等，常见的液体减速剂有有轻水（H2O）、重水（D2O）等。

在核反应堆内U等核分裂物质在分裂时，放出的中子速度秒速约3万km(能量平均约为2MeV)，很难命中原子核，所以为提高核分裂的几率，继续维持连锁反应，则必须减缓中子速度，使之变为秒速2000m的低速中子即所谓热中子(能量约为0.025ev)。减速材料的用途就是把这种高速中子减缓成慢中子

重水减速剂

重水简介

重水（氘，D2O），重水与普通水看起来十分相像，是无臭无味的液体，它们的化学性质也一样，不过某些物理性质却不相同。普通水的密度为1克/立方厘米，而重水的密度为1.056克/立方厘米；普通水的沸点为100℃，重水的沸点为101.42℃；普通水的冰点为0℃，重水的冰点为 3.8℃。参与化学反应的速率比普通水缓慢、重水的一个分子是由两个重氢原子和一个氧原子组成，相对分子质量是20。

此外，普通水能够滋养生命，培育万物，而重水则不能使种子发芽。人和动物若是喝了重水，还会引起死亡。

减速剂应用

重水的特殊价值体现在原子能技术应用中。制造威力巨大的核武器，就需要重水来作为原子核裂变反应中的减速剂，作中子的减速剂，也可作为制重氢的材料，普通水中含量约为0.02%（质量分数）。重水主要用于核反应堆中作减速剂，它可以减小中子的速率，使之符合发生裂变过程的需要。

重水和普通水一样，也是由氢和氧化合而成的液体化合物，不过，重水分子和普通水分子的氢原子有所不同。重水（氘，D2O）的吸收截面小，并可发生（γ，n）反应而为链式反应提供中子；缺点是价格昂贵，还要细心防止泄漏损失、污染和与氢化物发生同位素交换。重水的减速能力为0.18cm，减速比为2100倍，减速长度为100cm，徙动长度为101cm。

用重水即氧化氘（D2O）作为减速剂的核反应堆被称为重水反应堆，或简称为重水堆。不过，重水反应堆不单可以使用普通铀，而且会把铀238转化成为可制作核弹的钚。印度、巴基斯坦、以色列、北朝鲜都是以这样方法制造核燃料。为了防止核子武器扩散，重水的生产和出售在很多国家都受到限制。

重水的制备

重水外观上和普通水相似，是无色、无嗅无味的液体．密度比普通水大，熔点、沸点比普通水高．由于重水分子量大，运动速度慢，所以在高山上的冰雪中，特别是在南极的冰雪中重水含量微乎其微，水(氧化氢)的密度最小，是地球上最轻的水。重水在自然界中分布较少，在普通水中约含重水0.015%。由于含量少，制备难，所以它的售价较高（约16元/毫升）。

地球上的水约有3,200分之一是半重水（HDO）。半重水可以透过电解及蒸馏，生产重水或以化学方法从普通水中提炼出来。可以使用化学方法，是因为重氢及普通氢原子由于质量稍为不同，所以化学反应的速度有异。当水中的半重水到了相当的浓度，重水便会因为水分子之间交换氢原子而慢慢出现。要从半重水再提炼纯正的重水亦可使用电解、蒸馏及化学方法。但是电解及蒸馏所需要的能量会非常巨大，因此一般这一步只会使用化学方法。

石墨减速剂

石墨简介

石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，构成共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。

石墨优缺点

石墨作为反应堆材料的优缺点如下：

(1)石墨具有较高的散射截面和极低的热中子吸收截面，较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，使得核反应堆能够利用少量燃料达到临界或正常运行。

(2)石墨是耐高温材料，它的三相点，15MPa时为4024℃，因此不能采用熔化、铸造、锻造等热加工方法制造而只能采用类似粉末冶金的方法。它不像金属那样强度随温度而下降，而是略有增加，在2000℃以下应用，不会出现问题。

(3)石墨有良好的导热性能，在堆内可以有效地降低温度梯度，不致产生太大的热应力。

(4)石墨化学性质非常稳定。除了高温下的氧化、水蒸气外，可以耐酸、碱、盐的腐蚀，因而可以用作熔盐核反应堆和铀铋核反应堆的堆芯构件。

(5)石墨抗辐照性能极好，能长期在堆内服役30～40年。

(6)石墨可加工性好，可以加工成各种形状的构件。

(7)石墨原料丰富，价格便宜，容易制成纯度高、强度大、不同密度要求的各种核石墨，但石墨也有缺点，它是各向异性晶体结构，成层状分布，原子密集于a、b晶面，同层原子最近距离为0.141nm，相互为共价结合，具有较强的结合力；而层距离为0.335nm，层间结合力为范德瓦尔力，结合力较弱。这种各向异性在石墨的物理、强度、辐照等行为中都会强烈地表现出来。

核石墨生产目前核石墨生产基本上是在普通人造石墨生产工艺基础上开展起来的。针对核石墨需要高纯度、高密度、各向异性小的特点，对现行的石墨生产工艺、原料和设备加以改进，使之达到生产核石墨的要求。

核石墨生产的主要问题

核石墨生产有4个主要问题，即高纯度、高密度、各向异性和机械加工。

(1)高纯度。核石墨减速剂的纯度是最被重视的特性之一。首先选用纯度高、杂质含量少的石油焦和煤沥青作原料。原料杂质中硼含量要低，因1×10的硼含量相当于增加lmb的截面，高温石墨化大多数金属杂质在2800～3000℃挥发，而硼高于3000℃亦难除去，因硼与碳形成B4C3。对原料中硼含量要求极其严格，除原料外在生产中先后经10多道工序减少外来的杂质和合理工艺制度也是十分重要的。

(2)高密度。核石墨应有较高的密度，一般控制在1.79/cm左右，基本上能满足石墨堆运行要求，石墨的体积密度表示慢化剂的有效慢化率，密度降低则单位体积内的原子数减少，慢化率也就降低。

(3)各向异性小。石墨用于核反应堆时，由于温度上升产生热膨胀和辐照引起的维格纳(Wigner)生长。这种现象在垂直于挤压方向表现甚大，而平行于挤压方向表现较小，则石墨块不能按原始形状同样比例膨胀。因而石墨这种各向异性膨胀在由许多石墨块堆积而成的慢化层的结构是不能忽视的。石墨各向异性主要是由于石墨晶体结构具有极度的各向异性性质所致。另一方面在挤压成型时焦炭颗粒的排列对制品的各向异性也具有决定性的影响，因此要在成型过程中采取措施减少各向异性度。

(4)机械加工。石墨减速层和反射层是由经过精加工的块状堆砌而成的。石墨砌体中有供燃料棒、控制棒、仪器和试验用的各种孔道，这些孔道均有准确的尺寸，此外所有的石墨块砌体能防止中子流和冷却气体的泄漏。为此核石墨加工比任何石墨制品加工要求有更高的精密度。实际上要求精度在几丝之内。为保证产品加工精度设有专用高精度加工机床。

减速剂应用

石墨是热中子反应堆中作减速剂的重要材料之一。石墨的热中子吸收截面小，散射截面大，用石墨作慢化剂的反应堆可用天然铀作燎料。石墨成本低，传导性与金属相近，强度适中，能在高温下使用。石墨的减速能力为0.065cm，减速比为200倍，减速长度为50cm，徙动长度为54cm。石墨慢化中子的能力较差（比重水能力差），因此堆芯体积建造得比较大，石墨受中子作用，内部会积累大量潜能，需要定期退火消除。

但石墨价格便宜，而且又是耐高温材料，可用于非氧化气氛的高温堆中。因此与重水一起被作为最常用的减速剂。

轻水减速剂

轻水简介

相对分子质量为1的H原子和相对分子质量为16的O原子构成的水。其相对分子质量为18。另外，还有相对分子质量为20，22等的水。为了与重水(D2O)区别，目前将普通水称为轻水。普通水(H2O)经过净化，用做反应堆的冷却剂和中子的减速剂，叫做轻水。

轻水反应堆

轻水反应堆（英文：Light Water Reactor，LWR）是以水和汽水混合物作为冷却剂和慢化剂的反应堆，是和平利用核能的一种方式。轻水堆就堆内载出核裂变热能的方式可分为压水堆和沸水堆两种，是目前国际上多数核电站所采用的两种堆型。

水是使核反应堆中产生的中子减速的最好材料之一。据统计，1992年运行的413座核电站中，轻水堆核电站约占64.15%，装机容量约占80%，加上正在建设和已经订货的轻水堆核电站将占80%，装机容量将占90%。

轻水反应堆结构材料包括燃料包壳、堆芯构件、反应堆容器、热交换器和主回路管道等所用的材料。其中对包壳材料的性能要求最严。热中子堆的包壳材料一般使用铝合金、镁合金和锆合金。快中子堆包壳材料范围比较宽。铝、镁合金是较早使用的结构材料，由于其熔点低，只能用于低温。锆合金在高温下强度好，在高温纯水中的耐腐蚀性接近不锈钢，而其中子吸收截面却只有不锈钢的1/15，是目前水冷动力堆中广泛使用的结构材料。奥氏体不锈钢在高温下的强度和抗腐蚀性能都很好，且价格比较便宜，也用作燃料元件包壳和其他结构材料。低合金钢和碳钢普遍用于制作核反应堆压力容器。此外，可用作结构材料的还有镍、钛、铌、钒等合金。

减速剂应用

轻水（H2O）是含氢物质，慢化能力大，价格低廉，但吸收截面较大。轻水的减速能力为1.5cm，减速比为70，减速长度为2.88cm，徙动长度为6.4cm。轻水与重水和石墨相比，其减速能力较大，减速长度短，这使反应堆体积紧凑。特别是其价格低廉，容易获得。但轻水的中子吸收截面较大，使减速比下降。因此，轻水反应堆需用低富集铀作燃料。轻水对金属有腐蚀作用，易发生辐射分解。

铍慢化剂

铍介绍

铍和锂一样，在空气中形成保护性氧化层，故在空气中即使红热时也很稳定。不溶于冷水，微溶于热水，可溶于稀盐酸，稀硫酸和氢氧化钾溶液而放出氢。金属铍对于无氧的金属钠即使在较高的温度下，也有明显的抗腐蚀性。铍价态为正2价，可以形成聚合物以及具有显著热稳定性的一类共价化合物。

Be原子的价电子层结构为2s2，它的原子半径为89pm，Be2+离子半径

铍单质

为31pm，Be的电负性为1.57。铍由于原子半径和离子半径特别小（不仅小于同族的其它元素，还小于碱金属元素），电负性又相对较高（不仅高于碱金属元素，也高于同族其它各元素），所以铍形成共价键的倾向比较显著，不像同族其它元素主要形成离子型化合物。因此铍常表现出不同于同族其它元素的反常性质。

（1）铍由于表面易形成致密的保护膜而不与水作用，而同族其它金属镁、钙、锶、钡均易与水反应。

（2）氢氧化铍是两性的，而同族其它元素的氢氧化物均是中强碱或强碱性的。

（3）铍盐强烈地水解生成四面体型的离子[Be(H2O)2]2+，Be-O键很强，这就削弱了O-H键，因此水合铍离子有失去质子的倾向：

因此铍盐在纯水中是酸性的。而同族其它元素（镁除外）的盐均没有水解作用。

减速剂应用

铍的热中子吸收截面小，为9×10-31m2(9mb)，散射截面大为7×10-28m2(7b)，减速能力为0.16cm，减速比为130，减速长度为9.2cm。铍是热中子反应堆的良好的减速剂。金属铍性脆，难以加工，有毒性，高温抗氧化性能较差。在辐照下会发生体积增大和导热性能降低的现象。

铍的优缺点

铍较好的慢化剂和反射层材料。慢化能力大，高温强度好，熔点、热导率、比热都比较高，所以适用于高温反应堆，较强的抗腐蚀能力，尤其在二氧化碳中稳定性良好。铍的慢化长度较短，用作慢化剂可缩小堆芯尺寸。缺点是较脆、难于加工、辐照性能差，且铍有毒、价格贵。在湿空气中加热会生成毒性的氢氧化铍挥发物，比金属铍更难于加工。

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