# 核裂变反应堆模拟器 - 链式反应、六因子公式、点堆动力学、衰变热

> 中子链式反应动画与临界，裂变能量与燃料对比，六因子公式与慢化剂选择，单组缓发中子点堆动力学和瞬发临界，停堆衰变热，压水堆电站效率。

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- 最后更新: 2026-10-29
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这是一个讲清楚反应堆物理的教学工具。链式反应动画里，中子在燃料中散射、引起裂变或漏出，调节燃料尺寸和控制棒就能看到次临界、临界和超临界。其余部分依次给出每次裂变约 200 MeV 的能量与煤、油、天然气的对比，轻水、重水、石墨慢化下的六因子公式与临界尺寸，带缓发中子的点堆动力学和瞬发临界警示，Way–Wigner 停堆衰变热，以及用饱和水蒸气表计算的压水堆朗肯循环效率。

## 使用步骤

1. 在“链式反应”调燃料半径、裂变比例和控制棒深度，或点预设看次临界、临界与超临界
2. 在“裂变能量”输入燃料质量和种类，对比同等能量所需的煤、油、天然气
3. 在“六因子公式”选择富集度、慢化剂、慢化剂/铀比和燃料形态，读出 k∞、k_eff 和临界半径
4. 在“点堆动力学”设定反应性阶跃，观察瞬跳和稳定周期，可加入停堆、温度反馈或关闭缓发中子对比
5. 在“停堆衰变热”和“压水堆电站”查看停堆后的余热，以及一、二回路参数对发电效率的影响

## 功能特点

- 二维蒙特卡罗链式反应动画，实时中子数曲线与蒙特卡罗 k_eff、中子去向统计
- 每次裂变的能量分配、质量亏损、1 kg U-235 与各类燃料对比、电站日耗量
- 六因子公式：η、f、p、ε 与快/热中子不泄漏概率，k∞–慢化比曲线和临界半径
- 单组缓发中子点堆方程精确积分，瞬跳、稳定周期、紧急停堆与多普勒反馈
- Way–Wigner 衰变热曲线和不同时刻的余热功率、无冷却时的蒸发水量
- 压水堆动画示意图，卡诺效率、朗肯循环效率、流量、过冷度与排汽干度

## 常见问题

### k_eff 小于、等于、大于 1 分别意味着什么？

k_eff 是一代中子产生的下一代中子数。k < 1 时每代越来越少，链式反应熄灭（次临界）；k = 1 时中子数保持恒定，这正是反应堆稳定发电的状态（临界）；k > 1 时中子数按几何级数增长（超临界）。反应堆提升功率时只是让 k 略大于 1，到达目标功率后再调回 1。

### 为什么说缓发中子让反应堆可以控制？

裂变中子的代时间只有约 20 微秒，如果只靠瞬发中子，k = 1.001 就会让功率每 20 毫秒增长 e 倍，任何机械控制都来不及。约 0.65% 的中子来自裂变产物衰变，平均晚十几秒才放出，它们把功率变化的周期拉长到几十秒以上。只要反应性低于缓发中子份额 β（即小于 1 美元），反应堆就处于可控范围。

### 什么是瞬发临界，为什么必须避免？

当反应性 ρ 达到或超过 β 时，仅靠瞬发中子就能使链式反应增长，周期缩短到毫秒级，控制棒和操作员都来不及响应，只能依靠燃料温度升高等固有负反馈来限制功率。反应堆设计会限制单根控制棒的价值和提棒速度，运行规程也严格禁止接近这一状态。

### 停堆以后为什么还需要持续冷却？

链式反应停止后，堆芯里的裂变产物仍在衰变放热：停堆瞬间约为满功率的 6–7%，一小时后约 1%，一天后仍有约 0.5%。对一座 3000 MW 热功率的堆芯，这意味着停堆一天后仍有十几兆瓦热量。若冷却中断，燃料温度会持续升高，所以余热排出系统和应急冷却同样重要。

### 核电站的效率为什么只有约 33%？

压水堆一回路靠 15.5 MPa 高压保持液态，最高约 320 °C；二回路蒸汽温度必须低于冷段水温，通常约 280 °C、7 MPa 的饱和蒸汽。热机效率受高低温热源限制，按朗肯循环计算理想效率约 37%，考虑汽轮机损失后约 32–34%。其余三分之二的热量通过冷凝器排给海水、河水或冷却塔。

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