核反应堆背后的理论是什么?
受控核反应的动力
核反应堆背后的理论建立在核物理的基本原理之上。核反应堆在铀燃料中启动裂变反应，然后使用慢化剂和中子毒药来控制。这些反应以热的形式释放能量，然后转化为电能。核反应堆之所以有用，主要是因为核反应产生的能量大于化学反应产生的能量，而且核反应堆运行中涉及的各种因素的组合允许对功率水平和其他运行条件进行复杂而细致的控制。
为什么是核反应?
核反应包括放射性衰变、核裂变和核聚变。在核反应(定义为涉及原子核的反应)中，中子和质子被重新排列，在这个过程中原子实际上从一种元素变成另一种元素。相比之下，化学反应只涉及原子外层的电子。在化学反应中，原子被重新排列，但本质上没有改变。核反应比化学反应释放出多得多的能量，因为电子相互作用的力比组成原子核的中子和质子结合在一起的力弱得多。这就是为什么核反应堆有可能比煤或石油反应堆提供更多的电力，后者依赖于燃烧，一种化学反应。
核裂变
核裂变是一种元素的原子受到中子撞击后，分裂成裂变碎片和游离中子，并释放出大量热量的过程。裂变碎片以极快的速度释放出来;正是这些裂变碎片的动能构成了核裂变产生的大部分动力。铀的两种同位素(U-235和U-238)是能够发生裂变的原子核。如果这些元素中任何一种的数量足够，裂变就会自发发生;但是，自发裂变的效率和可靠性都不足以为反应堆提供任何一段时间的动力。大多数反应堆使用U-235和U-238的混合物作为燃料。
因为允许同位素裂变的不稳定性与它们的高原子量有关，原子量的任何增加都会导致它们裂变。这种重量增加的通常方式是通过吸收一个中子。在适当的情况下，易裂变的原子核会吸收一个额外的中子;然后它会发生裂变。核反应堆通过控制裂变的相关条件(包括可用的自由中子数)来利用这一特性。
裂变的必要条件
铀核并非在所有条件下都能同样好地裂变。铀吸收中子的可能性取决于中子相对于铀原子的动能。U-238的裂变最好使用“快中子”，快中子的能量比周围的物质高得多。U-235裂变最好的是“热中子”，它与周围物质的动能大致相同。如果中子总数较高，裂变也更有可能发生。
临界:维持自持的裂变链式反应
为了使反应堆有效地运行，裂变必须在没有外界刺激的情况下稳定发生。这种平衡状态被称为“临界”。当堆芯中的中子数量大致保持不变时，反应堆是至关重要的。中子人口数由“中子通量”表示，它是在给定时间间隔内通过给定空间区域的中子数。在堆芯中，中子通量是通过燃料浓缩、减缓剂或冷却剂以及中子毒药的组合来控制的。因为临界状态仅被定义为平衡状态，核反应堆在任何功率水平都可能处于临界状态。这使得核反应堆能够在不同的功率水平下高效运行，而其他类型的发电厂并不总是如此。
控制功率水平:燃料浓缩
虽然铀-235和铀-238都能裂变，但只有铀-235能自行维持链式反应。这是因为U-235比U-238更容易裂变，并且在更大的温度范围内对中子做出反应。在自然界中，铀矿石中同时含有U-238和U-235，但U-238的含量要高得多。为了提高效率，反应堆燃料中铀-235的比例需要比自然界中高一些，因此对铀进行处理以增加铀-235的含量。以这种方式增加铀-235的数量被称为“燃料浓缩”。反应堆燃料的浓缩程度越高，铀-235含量就越多，这意味着每单位质量会有更多的原子核裂变，这也意味着在使用时，会有更多的自由中子出现。
版主
慢化剂是一种影响中子运动速度的物质。因为温度是粒子运动速度的函数，慢化剂也会影响温度，通常也会作为反应堆的冷却剂。常见的缓蚀剂包括水、重水(氘)、石墨和其他碳化合物。这些物质是合适的，因为碳原子和氢原子都与中子的大小和质量相当，允许中子“弹开”它们并传递能量，而不会产生不必要的额外影响。这被称为弹性散射。缓速器用于减慢(热化)快中子，使其达到与U-235相互作用的速度，并作为反射器，将中子保持在堆芯内。
中子毒药
中子毒药是一种吸收中子而不发生裂变的物质。它们是反应堆控制棒的主要成分。用于反应堆控制棒的最佳中子毒药是那些具有高中子横截面的中子，这意味着它们极有可能吸收各种不同功率水平的中子。常用的中子毒药包括镉、硼和含有这些元素的化合物。当控制棒插入堆芯时，它们减少了存在的和可用于裂变的自由中子的数量。这会降低功率级别。如果仍然有足够的自由中子来维持一个自我维持的反应，那么反应堆将在那个水平上恢复临界状态。如果系统中加入了足够多的中子毒素，以至于链式反应不能以任何可察觉的水平继续下去，反应堆就会关闭。
堆芯设计
设计反应堆堆芯需要对核反应堆背后的理论有全面的了解。通过使用慢化剂、毒药和燃料之间复杂的相互作用来控制中子数量，核工程师不仅可以控制反应堆能产生多少能量，还可以控制温度变化对反应堆的影响。例如，美国所有的核反应堆(包括非动力反应堆)的设计都是这样的:随着温度的升高，慢化剂不能再使所有的自由中子减速，因此裂变反应的效率就会降低。这个重要的安全特性，被称为“负温度系数”，只是从反应堆理论的基本原理中衍生出来的许多复杂现象之一。
将核能转化为电能
除了核心之外，核电站的设计与其他核电站有很多共同之处。核反应产生的大量热量通常用于烧水和运行蒸汽涡轮机或发电机。这些装置必须经过特别设计，以尽量减少使用核材料所带来的辐射和其他风险，但其基本原理与传统蒸汽机的原理并无本质区别。
参考文献
图片:
博丹斯基,大卫。核能:原则、实践与展望，第二版，施普林格。2004年，纽约。
Glasstone,撒母耳。原子能资料．Van Nostrand。普林斯顿,纽约。1967.
核管理委员会:基本参考:术语表．最后更新于2010年8月2日。
