- 引言 -

今天，繼續(xù)之前的話題，來說說核反應堆中的中子活化及核反應堆結構材料的放射性問題，以及低活化材料的重要性。

中子（英語：Neutron）是一種電中性的粒子，具有略大于質子的質量。絕大多數(shù)的原子核都由中子和質子組成（僅有氫例外，它僅由一個質子構成）。

在原子核外，自由中子性質不穩(wěn)定，平均壽命約為15分鐘。中子衰變時釋放一個電子和一個反中微子而成為質子（β衰變）。同樣的衰變過程在一些原子核中也存在。原子核中的中子和質子可以通過吸收和釋放π介子互相轉換。

注：中子是由劍橋大學卡文迪許實驗室的英國物理學家詹姆斯·查德威克于1932年發(fā)現(xiàn)的。

中子的電中性讓它不僅很難偵測，也很難被控制。電中性使得我們無法以電磁場來加速、減速或是束縛中子，自由中子僅對磁場有很微弱的作用（因為中子存在磁矩），真正能有效控制中子的只有核作用力。

我們唯一能控制自由中子運動的方式，只是放置原子核堆中，在它們的運動路徑上，讓中子和原子核碰撞藉以吸收之。這種以中子撞擊原子核的反應在核反應中扮演重要角色，也是核子武器運作的原理。自由中子則可由核衰變、核反應或高能反應等中子源產(chǎn)生。

- 01 -

什么是中子活化？

中子活化指將樣品用中子照射后，樣品中原子經(jīng)中子俘獲而變得具有放射性的過程。

俘獲中子后的原子核通常會立即衰變，釋放出中子、質子或α粒子同時生成新的活化產(chǎn)物。這些活化產(chǎn)物半衰期或長或短，從幾秒鐘到幾十年都有可能。核素鈷-60就是通過中子俘獲反應在核反應堆中制備的。

鈷-60釋放出電子和伽馬射線衰變成鎳-60，半衰期為5.27年。因為其天然同位素鈷-59豐度為100%且容易獲得，因此鈷-60成為一種易得、有效的放射源，廣泛用于放射性治療。

某些核素俘獲中子后會發(fā)生核裂變。

輕元素中，只有鈹-9能吸收快中子，發(fā)生這樣的裂變：

在中子通量高的地方，比如在核反應堆中，中子活化會引起材料的腐蝕。

由于核反應堆的內(nèi)襯材料必須定時更換，換下來的內(nèi)襯必須按照低放射性廢物處理。

- 02 -

中子活化的現(xiàn)象，主要發(fā)生在核反應堆芯材料上，尤其是具有大劑量中子輻照的核聚變反應堆的內(nèi)層材料。

以下簡單介紹一下核裂變反應和核聚變反應。

核裂變，又稱核分裂，是指由重的原子核（主要是指鈾核或钚核）分裂成兩個或多個質量較小的原子的一種核反應形式。

原子彈或核能發(fā)電廠的能量來源就是核裂變。其中鈾裂變在核電廠最常見，熱中子轟擊鈾-235原子后會放出2到4個中子，中子再去撞擊其它鈾-235原子，從而形成鏈式反應。

原子核在發(fā)生核裂變時，釋放出巨大的能量，這些能量被稱為原子核能，俗稱原子能。1千克鈾-238的全部核的裂變將產(chǎn)生20,000兆瓦小時的能量，與燃燒至少2000噸煤釋放的能量一樣多，相當于一個20兆瓦的發(fā)電站運轉1,000小時。

大部份的核裂變都是一種有中子撞擊的核反應，反應物裂變?yōu)槎€或多個較小的原子核。核裂變反應是依中子撞擊的機制所產(chǎn)生。

核裂變（圖片源自網(wǎng)絡）

核電站和原子彈是核裂變能的兩大應用，兩者機制上的差異主要在于鏈式反應速度是否受到控制。核電站的關鍵設備是核反應堆，它相當于火電站的鍋爐，受控的鏈式反應就在這里進行。

核反應堆有多種類型，按引起裂變的中子能量可分為：熱中子堆和快中子堆。

熱中子的能量在0.1eV（電子伏特）左右，快中子能量平均在2eV左右。運行的是熱中子堆，其中需要有慢化劑，通過它的原子與中子碰撞，將快中子慢化為熱中子。

慢化劑用的是水、重水或石墨。堆內(nèi)還有載出熱量的冷卻劑，冷卻劑有水、重水和氦等。

根據(jù)慢化劑和冷卻劑和燃料不同，熱中子堆可分為輕水堆（用輕水作慢化劑和冷卻劑稍加濃鈾作燃料）、重水堆（用重水作慢化劑和冷卻劑稍加濃鈾作燃料）和石墨水冷堆（石墨慢化，輕水冷卻，稍加濃鈾），輕水堆又分壓水堆和沸水堆。

核聚變，又稱核融合、融合反應或聚變反應，是指將兩個較輕的核結合而形成一個較重的核和一個極輕的核（或粒子）的一種核反應形式。

在此過程中，物質沒有守恒，因為有一部分正在聚變的原子核的物質被轉化為光子（能量）。核聚變是給活躍的或“主序的”恒星提供能量的過程。

兩個較輕的核在融合過程中產(chǎn)生質量虧損而釋放出巨大的能量，兩個輕核在發(fā)生聚變時雖然因它們都帶正電荷而彼此排斥，然而兩個能量足夠高的核迎面相遇，它們就能相當緊密地聚集在一起，以致核力能夠克服庫侖斥力而發(fā)生核反應，這個反應叫做核聚變。

舉例：兩個質量小的原子，比方說兩個氚原子，在一定條件下（如超高溫和高壓），會發(fā)生原子核互相聚合作用，生成中子和氦-3，并伴隨著巨大的能量釋放。

原子核中蘊藏巨大的能量。根據(jù)質能方程E=mc2，原子核之凈質量變化（反應物與生成物之質量差）造成能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核，稱為核裂變，如原子彈爆炸；如果是由較輕的原子核變化為較重的原子核，稱為核聚變。一般來說，這種核反應會終止于鐵，因為其原子核最為穩(wěn)定。

最早的人工核聚變技術是氫彈，同時在20世紀50年代，人類開始認真地研究發(fā)展用于民用目的的受控熱核聚變，并一直持續(xù)到今天。

在經(jīng)過60年從以前的實驗中做出設計改進之后，采用激光約束的美國國家點火裝置（National Ignition Facility:NIF）和采用磁約束的國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）這兩個主要項目的目標，為在反應中產(chǎn)生的能量超過點燃反應所需要的能量。

核聚變（圖片源自網(wǎng)絡）

核裂變雖然能產(chǎn)生巨大的能量，但遠遠比不上核聚變，裂變堆的核燃料蘊藏極為有限，不僅產(chǎn)生強大的輻射，傷害人體，而且遺害千年的廢料也很難處理，核聚變的輻射則少得多，核聚變的燃料可以說是取之不盡，用之不竭。

令人沮喪的是，核聚變堆的研究還在進展中，離真正商用還有很長的路要走。

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再說下核輻射。

放射性物質以波或微粒形式發(fā)射出的一種能量就叫核輻射，核爆炸和核事故都有核輻射。核輻射主要是α、β、γ三種射線：

α射線是氦核，只要用一張紙就能擋住，但吸入體內(nèi)危害大；β射線是電子流，照射皮膚后燒傷明顯。這兩種射線由于穿透力小，影響距離比較近只要輻射源不進入體內(nèi)，影響不會太大；γ射線的穿透力很強，是一種波長很短的電磁波。γ輻射和X射線相似，能穿透人體和建筑物，危害距離遠。

宇宙、自然界能產(chǎn)生放射性的物質不少但危害都不太大，只有核爆炸或核電站事故泄漏的放射性物質才能大范圍地對人員造成傷亡。

電磁波是很常見的輻射，對人體的影響主要由功率（與場強有關）和頻率決定。通訊用的無線電波是頻率較低的電磁波，如果按照頻率從低到高（波長從長到短）按次序排列，電磁波可以分為：長波、中波、短波、超短波、微波、遠紅外線、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線、宇宙射線。以可見光為界，頻率低于（波長長于）可見光的電磁波對人體產(chǎn)生的主要是熱效應，頻率高于可見光的射線對人體主要產(chǎn)生化學效應。

- 04 -

讓我們再次回到低活化材料上來。

科學家研究發(fā)現(xiàn)，某些元素極難以中子活化，這是因為它們俘獲中子之后會變成更重但穩(wěn)定的核素。這些元素包括氫、氦、碳、氮、氧、氖、硅、鈦、鉻、鐵和鉑。

鎂、氪和水銀俘獲中子之后，要么生成長壽核素，要么只有低于10%的原子受到活化。

要活化這些元素，中子通量必須足夠高。這些性質具有重要的實用意義，比如蒸汽和水只有在溶解了放射性溶質或與放射性物質混合后才會有放射性。因為水很難活化，只要蒸餾便可以除去放射性污染。考慮到有一些材料不易被中子活化，所以合理選擇內(nèi)襯材料，可以減輕腐蝕問題，降低核輻射泄露風險。

所以，從工程意義上講，低活化材料是指材料經(jīng)過若干年中子輻照后，其放射性主要來自于受中子活化的短壽命或中等壽命的放射性元素。研制低活化材料的目的，就是為了降低中子活化效應對堆芯材料的放射性污染。

無論核反應方式是核裂變還是核聚變，都會產(chǎn)生大量的中子，尤其是核聚變反應堆中，中子的輻照劑量遠大于核裂變反應堆，其反應堆堆芯材料的活化效應也更強。

因此，對低活化材料的研究和開發(fā)的需求，成為目前限制核聚變能發(fā)展的一個重要因素。

圖中底色為淺藍色部分的元素為低活化元素（圖片源自網(wǎng)絡）

- 05 -

9月28日，在女排世界杯倒數(shù)第二輪比賽中，中國女排3比0擊敗塞爾維亞，迎來10連勝的同時，提前一輪鎖定世界杯冠軍，成功實現(xiàn)衛(wèi)冕。

由此，中國女排成為了歷史上第一個女排世界杯五冠王，而郎平也拿到了自己排球生涯的第四座世界杯冠軍，同樣創(chuàng)造了歷史。更值得驕傲的是，中國女排也捧起了三大賽中的第10個桂冠，追平古巴隊。

正如賽后的專訪文章《隊長朱婷：鐵榔頭的傳承，排球是她生命的底色》文末所說的那樣，“女排精神，不是喊出來的，而是一分分拼出來的，一場場球打出來的?！痹谶@位中國女排隊長眼里，與其炫耀付出的汗水，不如埋頭苦練，用賽場上的成績來證明一切。

當然，僅僅流血和流汗還是不夠的，還需要科學的方法和臨場應變的智慧。