令人驚奇的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室③本科生也能運(yùn)行核反應(yīng)堆！

劉致用

這個(gè)學(xué)校的本科生很“大膽”

核反應(yīng)產(chǎn)生的能量太巨大了。美國在二戰(zhàn)中對日本的廣島、長崎進(jìn)行的原子彈襲擊事件以及前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站的爆炸事故，使得人們對于核武器或者核設(shè)施的潛在傷害有了很深的心理陰影，許多人談“核”色變。

但有件事情說起來可能會(huì)讓你感到詫異——美國里德學(xué)院的本科生居然運(yùn)行了一個(gè)核反應(yīng)堆！而且運(yùn)行這個(gè)反應(yīng)堆的本科生的專業(yè)居然與核專業(yè)無關(guān)！我們都知道核反應(yīng)堆具有很強(qiáng)的輻射性——核反應(yīng)堆能產(chǎn)生α、β、γ輻射以及中子輻射，這些輻射能造成細(xì)胞損傷甚至DNA的基因突變而使人患病甚至患癌，所以核反應(yīng)堆最好由專業(yè)人士進(jìn)行管理。如果不慎發(fā)生核泄漏，將會(huì)對反應(yīng)堆周圍的生態(tài)系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的破壞。

核電站

世界上有不少高校擁有核反應(yīng)堆用以科學(xué)研究，但幾乎所有高校的核反應(yīng)堆都是由核專家、核專業(yè)的博士或碩士管理，而里德學(xué)院的核研究反應(yīng)堆是唯一一個(gè)完全由本科生運(yùn)營的核反應(yīng)堆，并且里德學(xué)院沒有設(shè)立核工程系，甚至連與核反應(yīng)堆相關(guān)的任何其他工程類的專業(yè)也沒有，該校的核研究反應(yīng)堆主要由物理和化學(xué)專業(yè)的學(xué)生在運(yùn)行。

這些才剛剛進(jìn)入高等教育學(xué)習(xí)的學(xué)生，真是相當(dāng)大膽！當(dāng)然，并不是所有的本科生都可以參與管理這個(gè)核反應(yīng)堆——有意向參與管理的學(xué)生必須參加為期一年的核安全研討會(huì)，然后由核監(jiān)管委員會(huì)進(jìn)行考試，通過所有考核的學(xué)生才能獲取管理資格?？己耸菄?yán)格的，通過率也不高。截至2018年11月，也才有大約40名在校生獲得了管理核反應(yīng)堆的資格。

這個(gè)核反應(yīng)堆很安全

運(yùn)行這個(gè)核研究反應(yīng)堆會(huì)給學(xué)生帶來危險(xiǎn)嗎？里德學(xué)院表示：本校的核研究反應(yīng)堆是一個(gè)“零風(fēng)險(xiǎn)設(shè)施”。

為什么這么說呢？

核反應(yīng)堆按用途一共可分為三種：核研究反應(yīng)堆、核生產(chǎn)反應(yīng)堆、核動(dòng)力反應(yīng)堆。核研究反應(yīng)堆利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的核輻射進(jìn)行科學(xué)研究，一般建于高校以及研究所;核生產(chǎn)反應(yīng)堆則用于生產(chǎn)及搜集核裂變產(chǎn)生的元素;核動(dòng)力反應(yīng)堆用于發(fā)電或者提供動(dòng)力，建在核發(fā)電站或者各種核動(dòng)力艦船上等。

美國里德學(xué)院

里德學(xué)院的核反應(yīng)堆

核研究反應(yīng)堆由于其規(guī)模小，主要表現(xiàn)為核燃料少、功率低等特性，相對于其他的核反應(yīng)堆安全得多。事實(shí)上，過去整整50年的時(shí)間里，里德學(xué)院的核反應(yīng)堆僅僅消耗了2.5千克濃的縮鈾（濃度為20%），該核反應(yīng)堆的最高功率也僅為250 kW。而大型核電站單一年使用的濃縮鈾（濃度為2%～5%）就可達(dá)數(shù)噸，其功率更是里德學(xué)院的核反應(yīng)堆的幾十萬倍。

除了規(guī)模小外，里德學(xué)院核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)使其近乎達(dá)到“零風(fēng)險(xiǎn)”。

對于核反應(yīng)堆的堆芯來說，一方面要注意及時(shí)冷卻，防止溫度過高而引發(fā)爆炸，另一方面還要避免堆芯材料（包括燃料、慢化劑、冷卻劑）溫度過低，從而保證反應(yīng)堆的運(yùn)行效率。換句話說，反應(yīng)堆的溫度不能過高也不能過低。

出于安全考慮，一般使用的核反應(yīng)堆的堆芯燃料都具有自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的特性，但是很多核反應(yīng)堆的調(diào)節(jié)具有一定的滯后性，即溫度已經(jīng)升高或者降低了，功率并沒有馬上隨之增大或者減小，這會(huì)帶來一定的安全隱患。

這個(gè)問題在使用以濃縮鈾和磷的混合物作為燃料的傳統(tǒng)核反應(yīng)堆里尤為突出。但里德學(xué)院的核反應(yīng)堆是鈾氫鋯反應(yīng)堆，其以濃縮鈾和氫化鋯的混合物作為燃料，這種混合材料對溫度變化的感知非常靈敏——幾乎只要溫度一升高或者降低，調(diào)節(jié)就馬上啟動(dòng)，安全系數(shù)非常高。這是由于氫化鋯里的氫會(huì)隨著溫度的升高釋放出去，溫度降低時(shí)又能被吸收回來，而這兩個(gè)過程都能瞬間反向改變?nèi)剂系臏囟茸兓厔荨?h3>這個(gè)反應(yīng)堆專門用于產(chǎn)生中子

核反應(yīng)堆雖然威力巨大，但其原理還是比較簡單的：當(dāng)一個(gè)鈾235原子受到一個(gè)中子轟擊時(shí)，鈾235原子會(huì)吸收這個(gè)中子，然后分裂成一個(gè)氙原子和一個(gè)鍶原子，同時(shí)釋放出2個(gè)中子，或者分裂成一個(gè)鋇原子和一個(gè)氪原子，同時(shí)釋放出3個(gè)中子。裂變產(chǎn)生的中子又去轟擊其它的鈾235原子，引起新的裂變，最終造成持續(xù)進(jìn)行的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鈾235裂變能產(chǎn)生大量的熱量，產(chǎn)生的熱量可以使水沸騰變成水蒸氣，推動(dòng)氣輪機(jī)發(fā)電，這便是核電站的發(fā)電原理。

但里德學(xué)院的核反應(yīng)堆并不用來發(fā)電，師生們利用這個(gè)核反應(yīng)堆來做什么呢？——答案就是中子輻射。鈾的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能產(chǎn)生大量的中子，而中子輻射可以用來檢測元素。與其他形式的輻射（α、β、γ、x射線輻射）不同，中子輻射可以使待測元素受激活化，中子和待測元素反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一種放射性核素，該放射性核素會(huì)衰變，測量待測元素放射性核素產(chǎn)生和衰變后的有關(guān)數(shù)據(jù)，就可以不用分離、提純等手段就能精確地鑒別不同的元素，大大提高了樣品中元素的檢測效率。

除了中子輻射以外，核研究反應(yīng)堆還可進(jìn)行伽馬輻射，用于生物等學(xué)科的研究項(xiàng)目，例如輻射如何導(dǎo)致種子變異等。1968年成立以來，里德學(xué)院反應(yīng)堆設(shè)施就一直用于該校所處的波特蘭地區(qū)的研究和教育項(xiàng)目，對于推進(jìn)該地區(qū)的科學(xué)發(fā)展起了很大的作用。