- 引言 -

今天，继续之前的话题，来说说核反应堆中的中子活化及核反应堆结构材料的放射性问题，以及低活化材料的重要性。

中子（英语：Neutron）是一种电中性的粒子，具有略大于质子的质量。绝大多数的原子核都由中子和质子组成（仅有氢例外，它仅由一个质子构成）。

在原子核外，自由中子性质不稳定，平均寿命约为15分钟。中子衰变时释放一个电子和一个反中微子而成为质子（β衰变）。同样的衰变过程在一些原子核中也存在。原子核中的中子和质子可以通过吸收和释放π介子互相转换。

注：中子是由剑桥大学卡文迪许实验室的英国物理学家詹姆斯·查德威克于1932年发现的。

中子的电中性让它不仅很难侦测，也很难被控制。电中性使得我们无法以电磁场来加速、减速或是束缚中子，自由中子仅对磁场有很微弱的作用（因为中子存在磁矩），真正能有效控制中子的只有核作用力。

我们唯一能控制自由中子运动的方式，只是放置原子核堆中，在它们的运动路径上，让中子和原子核碰撞藉以吸收之。这种以中子撞击原子核的反应在核反应中扮演重要角色，也是核子武器运作的原理。自由中子则可由核衰变、核反应或高能反应等中子源产生。

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什么是中子活化？

中子活化指将样品用中子照射后，样品中原子经中子俘获而变得具有放射性的过程。

俘获中子后的原子核通常会立即衰变，释放出中子、质子或α粒子同时生成新的活化产物。这些活化产物半衰期或长或短，从几秒钟到几十年都有可能。核素钴-60就是通过中子俘获反应在核反应堆中制备的。

钴-60释放出电子和伽马射线衰变成镍-60，半衰期为5.27年。因为其天然同位素钴-59丰度为100%且容易获得，因此钴-60成为一种易得、有效的放射源，广泛用于放射性治疗。

某些核素俘获中子后会发生核裂变。

轻元素中，只有铍-9能吸收快中子，发生这样的裂变：

在中子通量高的地方，比如在核反应堆中，中子活化会引起材料的腐蚀。

由于核反应堆的内衬材料必须定时更换，换下来的内衬必须按照低放射性废物处理。

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中子活化的现象，主要发生在核反应堆芯材料上，尤其是具有大剂量中子辐照的核聚变反应堆的内层材料。

以下简单介绍一下核裂变反应和核聚变反应。

核裂变，又称核分裂，是指由重的原子核（主要是指铀核或钚核）分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。

原子弹或核能发电厂的能量来源就是核裂变。其中铀裂变在核电厂最常见，热中子轰击铀-235原子后会放出2到4个中子，中子再去撞击其它铀-235原子，从而形成链式反应。

原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量，这些能量被称为原子核能，俗称原子能。1千克铀-238的全部核的裂变将产生20,000兆瓦小时的能量，与燃烧至少2000吨煤释放的能量一样多，相当于一个20兆瓦的发电站运转1,000小时。

大部份的核裂变都是一种有中子撞击的核反应，反应物裂变为二个或多个较小的原子核。核裂变反应是依中子撞击的机制所产生。

核裂变（图片源自网络）

核电站和原子弹是核裂变能的两大应用，两者机制上的差异主要在于链式反应速度是否受到控制。核电站的关键设备是核反应堆，它相当于火电站的锅炉，受控的链式反应就在这里进行。

核反应堆有多种类型，按引起裂变的中子能量可分为：热中子堆和快中子堆。

热中子的能量在0.1eV（电子伏特）左右，快中子能量平均在2eV左右。运行的是热中子堆，其中需要有慢化剂，通过它的原子与中子碰撞，将快中子慢化为热中子。

慢化剂用的是水、重水或石墨。堆内还有载出热量的冷却剂，冷却剂有水、重水和氦等。

根据慢化剂和冷却剂和燃料不同，热中子堆可分为轻水堆（用轻水作慢化剂和冷却剂稍加浓铀作燃料）、重水堆（用重水作慢化剂和冷却剂稍加浓铀作燃料）和石墨水冷堆（石墨慢化，轻水冷却，稍加浓铀），轻水堆又分压水堆和沸水堆。

核聚变，又称核融合、融合反应或聚变反应，是指将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核（或粒子）的一种核反应形式。

在此过程中，物质没有守恒，因为有一部分正在聚变的原子核的物质被转化为光子（能量）。核聚变是给活跃的或“主序的”恒星提供能量的过程。

两个较轻的核在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量，两个轻核在发生聚变时虽然因它们都带正电荷而彼此排斥，然而两个能量足够高的核迎面相遇，它们就能相当紧密地聚集在一起，以致核力能够克服库仑斥力而发生核反应，这个反应叫做核聚变。

举例：两个质量小的原子，比方说两个氚原子，在一定条件下（如超高温和高压），会发生原子核互相聚合作用，生成中子和氦-3，并伴随着巨大的能量释放。

原子核中蕴藏巨大的能量。根据质能方程E=mc2，原子核之净质量变化（反应物与生成物之质量差）造成能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，称为核裂变，如原子弹爆炸；如果是由较轻的原子核变化为较重的原子核，称为核聚变。一般来说，这种核反应会终止于铁，因为其原子核最为稳定。

最早的人工核聚变技术是氢弹，同时在20世纪50年代，人类开始认真地研究发展用于民用目的的受控热核聚变，并一直持续到今天。

在经过60年从以前的实验中做出设计改进之后，采用激光约束的美国国家点火装置（National Ignition Facility:NIF）和采用磁约束的国际热核聚变实验反应堆（ITER）这两个主要项目的目标，为在反应中产生的能量超过点燃反应所需要的能量。

核聚变（图片源自网络）

核裂变虽然能产生巨大的能量，但远远比不上核聚变，裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，不仅产生强大的辐射，伤害人体，而且遗害千年的废料也很难处理，核聚变的辐射则少得多，核聚变的燃料可以说是取之不尽，用之不竭。

令人沮丧的是，核聚变堆的研究还在进展中，离真正商用还有很长的路要走。

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再说下核辐射。

放射性物质以波或微粒形式发射出的一种能量就叫核辐射，核爆炸和核事故都有核辐射。核辐射主要是α、β、γ三种射线：

α射线是氦核，只要用一张纸就能挡住，但吸入体内危害大；β射线是电子流，照射皮肤后烧伤明显。这两种射线由于穿透力小，影响距离比较近只要辐射源不进入体内，影响不会太大；γ射线的穿透力很强，是一种波长很短的电磁波。γ辐射和X射线相似，能穿透人体和建筑物，危害距离远。

宇宙、自然界能产生放射性的物质不少但危害都不太大，只有核爆炸或核电站事故泄漏的放射性物质才能大范围地对人员造成伤亡。

电磁波是很常见的辐射，对人体的影响主要由功率（与场强有关）和频率决定。通讯用的无线电波是频率较低的电磁波，如果按照频率从低到高（波长从长到短）按次序排列，电磁波可以分为：长波、中波、短波、超短波、微波、远红外线、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线、宇宙射线。以可见光为界，频率低于（波长长于）可见光的电磁波对人体产生的主要是热效应，频率高于可见光的射线对人体主要产生化学效应。

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让我们再次回到低活化材料上来。

科学家研究发现，某些元素极难以中子活化，这是因为它们俘获中子之后会变成更重但稳定的核素。这些元素包括氢、氦、碳、氮、氧、氖、硅、钛、铬、铁和铂。

镁、氪和水银俘获中子之后，要么生成长寿核素，要么只有低于10%的原子受到活化。

要活化这些元素，中子通量必须足够高。这些性质具有重要的实用意义，比如蒸汽和水只有在溶解了放射性溶质或与放射性物质混合后才会有放射性。因为水很难活化，只要蒸馏便可以除去放射性污染。考虑到有一些材料不易被中子活化，所以合理选择内衬材料，可以减轻腐蚀问题，降低核辐射泄露风险。

所以，从工程意义上讲，低活化材料是指材料经过若干年中子辐照后，其放射性主要来自于受中子活化的短寿命或中等寿命的放射性元素。研制低活化材料的目的，就是为了降低中子活化效应对堆芯材料的放射性污染。

无论核反应方式是核裂变还是核聚变，都会产生大量的中子，尤其是核聚变反应堆中，中子的辐照剂量远大于核裂变反应堆，其反应堆堆芯材料的活化效应也更强。

因此，对低活化材料的研究和开发的需求，成为目前限制核聚变能发展的一个重要因素。

图中底色为浅蓝色部分的元素为低活化元素（图片源自网络）

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9月28日，在女排世界杯倒数第二轮比赛中，中国女排3比0击败塞尔维亚，迎来10连胜的同时，提前一轮锁定世界杯冠军，成功实现卫冕。

由此，中国女排成为了历史上第一个女排世界杯五冠王，而郎平也拿到了自己排球生涯的第四座世界杯冠军，同样创造了历史。更值得骄傲的是，中国女排也捧起了三大赛中的第10个桂冠，追平古巴队。

正如赛后的专访文章《队长朱婷：铁榔头的传承，排球是她生命的底色》文末所说的那样，“女排精神，不是喊出来的，而是一分分拼出来的，一场场球打出来的。”在这位中国女排队长眼里，与其炫耀付出的汗水，不如埋头苦练，用赛场上的成绩来证明一切。

当然，仅仅流血和流汗还是不够的，还需要科学的方法和临场应变的智慧。