【地震特辑】“临界”是什么意思？

zbyuan

最近的媒体报道中大量提到了“临界”和“再临界”。临界是个核能术语，指的是系统里中子的平衡。“次临界”指的是系统中失去中子的速率大于制造中子的速率，因此次临界系统里中子的总数是随时间减少的。“超临界”指的是系统里制造中子的速率大于失去中子的速率，因此超临界系统里中子的总数是随时间增加的。当中子总数恒定时，制造中子与失去中子达到完全平衡，此时核反应系统就叫做“临界状态”。通过比较制造中子（裂变和其它来源）和失去中子（吸收、从反应核心泄漏），可以计算出系统是否处在临界状态。核反应堆就是一个能够控制中子平衡、保持临界状态的系统。
! W# E& Q0 L0 K: b2 x反应堆的功率与中子数量直接成正比。系统中的中子越多，就会发生更多裂变，制造更多能量。反应堆刚开始工作时，中子数量在可控状况下缓慢增加，也就是说制造中子比丢失中子更快，反应堆处在超临界状态。这使得中子数目增加，制造的能量也越来越多。当功率达到所需水平后，反应堆转换为临界配置，保持中子数目和功率恒定。最终，当需要关闭反应时，反应堆转换为次临界配置，中子数目和功率会减小。因此，当一个反应堆“处于临界状态”时，它实际上正在稳定运行，产生恒定能量。
2 S- ~5 F1 m2 Z% r% G- R' ^# `0 f* K& M在正常发电运转中，反应堆总保持临界状态。在其它系统，例如乏燃料池中，有一些防止达到临界状态的机制。如果这样的系统达到了临界状态，就被称作“再临界”。硼和其它材料会吸收中子，他们可以防止再临界的产生。增加的中子吸收剂能够大大增加失去中子的速率，从而保持次临界状态。
对于许多轻水反应堆（包括日本的沸水堆）来说，水的作用不仅是冷却，还可以减缓中子的速度。在这些系统中，大部分裂变反应是由慢中子引发的。因此，如果水沸腾气化了，中子就不再变慢，裂变反应的概率也会降低，从而发电功率降低，核反应系统就会变为次临界状态。
如果沸水堆或乏燃料池没有冷却，水被加热蒸发，那么水温上升和水的气化会让系统处于次临界状态。这些系统中还有大量的硼，例如反应堆中的控制棒和乏燃料池中各式各样的硼。此外，支撑乏燃料池的钢结构有时也由硼钢制成，它也含有大量的硼。即使燃料棒熔化了，它的新几何结构也不适合慢中子，因此即使向系统中重新加入水，也不太可能发生再临界。
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