核裂变反应堆

“核裂变反应堆”是一个热中子核反应堆堆芯的 3D 剖面仿真实验。九组铀-235 燃料组件浸在发出切伦科夫辐射蓝光的水慢化剂中，四爪硼-10 控制棒组件从上方插入。裂变释放出的黄色快中子在水慢化剂中不断碰撞减速，变成青色的热中子，随后撞击 U-235 燃料棒，使原子核分裂成钡-141 和氪-92 裂变碎片。学生可以拖动控制棒蜘蛛架，或调节 U-235 丰度和慢化剂密度，使反应堆在“次临界”（k_eff 小于 1）、“临界”（k_eff = 1.00）和“超临界”（k_eff 大于 1）状态之间切换。

• 将橙色的硼控制棒组件略微向上拖动，使插入深度降至 45% 以下，观察 k_eff 升至 1.00 以上，同时中子数量和热功率不断攀升。
• 按下“紧急停堆 SCRAM”按钮，将硼控制棒完全插入 (100%)，观察中子被大量吸收，使反应堆迅速进入安全的次临界停堆状态。
• 开启“保持 k_eff = 1.00”，改变“U-235 丰度”或“水慢化剂密度”，观察控制棒如何自动调整位置以维持稳定的临界功率。
• 点击任意绿色的 U-235 燃料棒发射一束初始中子，观察绿色的 Ba-141 和粉色的 Kr-92 裂变子核向两侧飞散。
• 将“水慢化剂密度”降低到 40%，注意即使提起控制棒，k_eff 也会下降，这说明了为什么压水堆在冷却水沸腾流失时无法维持链式反应。

1. 1描述由热中子引发的铀-235 核裂变过程，并指出其产物（裂变子核、快中子和热能）。
2. 2定义有效中子倍增系数 k_eff，并区分反应堆的次临界、临界和超临界状态。
3. 3解释水慢化剂（使快中子减速）与硼控制棒（吸收多余中子）各自不同的物理作用。
4. 4解释为什么水慢化剂密度降低能为轻水反应堆提供固有的负反应性安全特性。

教师常问的问题