令人驚奇的大學實驗室③本科生也能運行核反應堆！

劉致用

這個學校的本科生很“大膽”

核反應產生的能量太巨大了。美國在二戰中對日本的廣島、長崎進行的原子彈襲擊事件以及前蘇聯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讓你感到詫異——美國里德學院的本科生居然運行了一個核反應堆！而且運行這個反應堆的本科生的專業居然與核專業無關！我們都知道核反應堆具有很強的輻射性——核反應堆能產生α、β、γ輻射以及中子輻射，這些輻射能造成細胞損傷甚至DNA的基因突變而使人患病甚至患癌，所以核反應堆最好由專業人士進行管理。如果不慎發生核泄漏，將會對反應堆周圍的生態系統造成非常嚴重的破壞。

核電站

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

這些才剛剛進入高等教育學習的學生，真是相當大膽！當然，并不是所有的本科生都可以參與管理這個核反應堆——有意向參與管理的學生必須參加為期一年的核安全研討會，然后由核監管委員會進行考試，通過所有考核的學生才能獲取管理資格。考核是嚴格的，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堆的資格。

這個核反應堆很安全

運行這個核研究反應堆會給學生帶來危險嗎？里德學院表示：本校的核研究反應堆是一個“零風險設施”。

為什么這么說呢？

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

美國里德學院

里德學院的核反應堆

核研究反應堆由于其規模小，主要表現為核燃料少、功率低等特性，相對于其他的核反應堆安全得多。事實上，過去整整50年的時間里，里德學院的核反應堆僅僅消耗了2.5千克濃的縮鈾（濃度為20%），該核反應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%）就可達數噸，其功率更是里德學院的核反應堆的幾十萬倍。

除了規模小外，里德學院核反應堆的設計使其近乎達到“零風險”。

對于核反應堆的堆芯來說，一方面要注意及時冷卻，防止溫度過高而引發爆炸，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，從而保證反應堆的運行效率。換句話說，反應堆的溫度不能過高也不能過低。

出于安全考慮，一般使用的核反應堆的堆芯燃料都具有自動調節溫度的特性，但是很多核反應堆的調節具有一定的滯后性，即溫度已經升高或者降低了，功率并沒有馬上隨之增大或者減小，這會帶來一定的安全隱患。

這個問題在使用以濃縮鈾和磷的混合物作為燃料的傳統核反應堆里尤為突出。但里德學院的核反應堆是鈾氫鋯反應堆，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，調節就馬上啟動，安全系數非常高。這是由于氫化鋯里的氫會隨著溫度的升高釋放出去，溫度降低時又能被吸收回來，而這兩個過程都能瞬間反向改變燃料的溫度變化趨勢。

這個反應堆專門用于產生中子

核反應堆雖然威力巨大，但其原理還是比較簡單的：當一個鈾235原子受到一個中子轟擊時，鈾235原子會吸收這個中子，然后分裂成一個氙原子和一個鍶原子，同時釋放出2個中子，或者分裂成一個鋇原子和一個氪原子，同時釋放出3個中子。裂變產生的中子又去轟擊其它的鈾235原子，引起新的裂變，最終造成持續進行的裂變鏈式反應。鈾235裂變能產生大量的熱量，產生的熱量可以使水沸騰變成水蒸氣，推動氣輪機發電，這便是核電站的發電原理。

但里德學院的核反應堆并不用來發電，師生們利用這個核反應堆來做什么呢？——答案就是中子輻射。鈾的鏈式反應能產生大量的中子，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會產生一種放射性核素，該放射性核素會衰變，測量待測元素放射性核素產生和衰變后的有關數據，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，核研究反應堆還可進行伽馬輻射，用于生物等學科的研究項目，例如輻射如何導致種子變異等。1968年成立以來，里德學院反應堆設施就一直用于該校所處的波特蘭地區的研究和教育項目，對于推進該地區的科學發展起了很大的作用。