核裂變反應堆

關於這個模擬實驗

「核裂變反應堆」是一個熱中子核反應堆堆芯的 3D 剖面模擬。九組鈾-235 燃料組件直立在發出切連科夫輻射藍光的水減速劑中，而四爪硼-10 控制棒組件則從上方降下。裂變釋放的黃色快中子在水減速劑中碰撞並減速為青色熱中子，然後撞擊 U-235 燃料棒，將原子核分裂為鋇-141 和氪-92 子核碎片。學生可拖動控制棒組件或調整 U-235 濃縮度和減速劑密度，引導反應堆在次臨界（k_eff 小於 1）、臨界（k_eff = 1.00）和超臨界（k_eff 大於 1）之間運作。

學生可以探索什麼

將橙色硼控制棒組件略微向上拖動，使插入深度降至 45% 以下，觀察 k_eff 升至 1.00 以上，同時中子數量和熱功率隨之攀升。
按下「緊急停堆 SCRAM」按鈕，將硼控制棒完全插入 (100%)，觀察中子吸收如何使反應堆安全進入次臨界停堆狀態。
開啟「保持 k_eff = 1.00」，改變 U-235 濃縮度或水減速劑密度，觀察控制棒如何自動重新定位以維持穩定的臨界功率。
點擊任何綠色 U-235 燃料棒以發射啟動中子束，並觀察綠色 Ba-141 和粉紅色 Kr-92 子核飛散開去。
將水減速劑密度降低至 40%，注意即使升起控制棒，k_eff 仍會下降，這說明為何壓水式反應堆在冷卻劑沸騰流失後無法維持鏈式反應。

學習目標

1描述由熱中子誘發的鈾-235 核裂變，並識別其產物（子核、快中子和熱能）。
2定義有效中子增殖因數 k_eff，並區分次臨界、臨界和超臨界反應堆狀態。
3解釋水減速劑（減慢快中子）與硼控制棒（吸收多餘中子）的不同作用。
4解釋為何水減速劑密度下降能為輕水反應堆提供固有的負反應性安全特性。

教師常問的問題

在核反應堆中，k_eff = 1.00（臨界）代表甚麼？

增殖因數 k_eff 是指一次裂變產生的中子當中，平均有多少顆會繼續引發下一次裂變。當 k_eff = 1.00 時，每次裂變平均正好觸發一次新的裂變，從而使中子數量和反應堆熱功率保持穩定。

為甚麼核反應堆需要像水這樣的減速劑？

新釋放的裂變中子運動極快（約 20,000 km/s），鈾-235 俘獲它們的機率很小。與水中的輕氫原子核碰撞可將它們減速至熱運動速率（約 2 km/s），使 U-235 的裂變機率提高數百倍。

硼-10 或鎘控制棒如何調節反應堆功率？

硼-10 和鎘原子核具有極大的中子吸收截面，且不會發生裂變。將控制棒更深地降入堆芯可吸收自由中子並降低 k_eff；略微抽出控制棒則可讓功率上升。

在核電廠中，SCRAM 是甚麼意思？

SCRAM 是緊急快速停堆，指在數秒內將所有控制棒組件完全推入或落下 (100%) 到反應堆堆芯中，立即使 k_eff 遠小於 1 並停止裂變鏈式反應。

嵌入這個模擬實驗

免費嵌入你的學習平台、網誌或班級網頁。

<iframe src="https://kiwibee.io/zh/simulations/nuclear-fission-reactor-3d-simulation/embed" title="核裂變反應堆 | KiwiBee" loading="lazy" allowfullscreen style="width:100%;height:min(70vh,620px);min-height:420px;border:0;border-radius:16px"></iframe>

繼續探索

Explore an adult male reference body in 3D. Reveal 14 anatomical systems, search thousands of named structures, isolate organs, and pull 2,209 modeled pieces apart to see how the body is organized.

—

Explore the head and neck in 3D: 643 source meshes across 14 layers, 47 facial and masticatory muscles, and 77 drawn nerves, vessels and glands the source scan omits. Open any tooth onto its own pulp canal, and follow the seven stages of tooth development.

—